氧化锆粉末压制成形的多粒子有限元模拟.pdf
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1、第46卷 第3期2023年6月Vol.46 No.3Jun.2023辽 宁 科 技 大 学 学 报Journal of University of Science and Technology Liaoning氧化锆粉末压制成形的多粒子有限元模拟张健1,高刚毅2,栾奕1,张大征1,郭菁1(1.辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山114051;2.四川六合特种金属材料股份有限公司,四川 江油621701)摘要:采用多粒子有限元法模拟氧化锆颗粒的双向压制成形过程。采用离散元法建立氧化锆颗粒无序堆积模型,系统分析氧化锆粉末压制过程中相对密度、应力分布、空隙填充行为,以及保压和卸压过程中力链的演变
2、规律。结果表明,随着压制力增大,氧化锆颗粒的相对密度不断增加,颗粒间的作用力也逐渐增大。在压制初期,颗粒的重排对粉体成形的致密化起主要作用。随着成形的进行,大部分颗粒在压制力作用下形成网状力链,颗粒内部应力也随之增大。卸压后,原本密集的网状力链变得稀疏,甚至部分力链消失。关键词:高温合金;耐火材料;氧化锆粉末;压制成形;有限元分析中图分类号:TG142.1文献标识码:A文章编号:1674-1048(2023)03-0181-06DOI:10.13988/j.ustl.2023.03.004高温合金材料广泛应用于航空航天、石油、化工等领域。基于高温合金在冶炼过程中对环境的严格要求,与之接触的耐火
3、材料不能同合金熔体发生反应,避免污染合金熔体1。近年来,氧化锆耐火材料广泛用于高温合金熔炼炉的砌筑和制备,其成形过程直接影响使用性能,因此对氧化锆耐火材料成形过程的研究尤为重要2。早期粉体成形的研究工作大多集中在物理实验和成形理论上3-6,主要分析平均相对密度随压制压力的变化规律。然而,在物理实验中,压制过程中的局部密度和分布、局部应力和分布、粉末流动,尤其是压制动力学、微观力学和致密化机制等很难定量地确定。此外,几何非线性、材料非线性、接触非线性等特性增加了物理实验的难度7-9。在这种情况下,一些研究提出用宏观连续有限元法(Finite element method,FEM)进行数值模拟,其
4、优点在于能够分析局部相对密度和分布、应力和分布以及粉末流动10。但由于模型中的粉末被假定为一个均匀的连续体,因此不能从颗粒尺度上描述成形过程中的动力学和接触力学。基于分子动力学的离散元方法(Discrete elementmethod,DEM)模拟可以克服连续有限元数值模拟中的这一缺点,DEM已被成功地用于模拟随机和有序球体充填及受力11。然而,这些研究结果表明,DEM的有效性仅限于小变形,不适合用于模拟粉末成形过程中相对密度大于0.85的大塑性变形12-13。近年来,一种克服了FEM和DEM不足的多粒子有限元(Multi-particle finite element meth-od,MPF
5、EM)模型被提出,并应用于粉末成形过程的模拟14-15,与传统的有限元方法相比,MPFEM的优势在于可以分析压制过程中微观尺度的受力和形变。本文采用有限元法对氧化锆粉末制备高温合金用耐火材料的双向模压过程进行二维模拟,将DEM生成的不同初始堆积结构导入有限元模型中,采用DEM与MPFEM相结合的方法,系统分析成形过程中压坯相对密度和分布、应力和分布、孔隙填充行为,研究双向压制下氧化锆粉末成形致密化规律,并基于单个颗粒的填充及受力行为,探究成形过程中的致密化机理。收稿日期:2022-11-30。基金项目:国家自然科学基金(U1860112);2022年辽宁科技大学大学生创新创业训练计划。作者简介
6、:张健(2000),男,辽宁大连人。研究方向:材料成型及控制。通讯作者:郭菁(1982),男,新疆乌鲁木齐人,副教授。研究方向:钢铁冶金。辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷1模型建立及模拟方法1.1初始堆积模型假设氧化锆粉体颗粒为单一尺寸的球形颗粒,直径为1 mm。图1给出200个氧化锆颗粒随机堆积结构模型及单个颗粒网格划分。在模拟中,von Mises屈服函数的本构方程为 =(1-2)+(2-3)+(3-1)21/22(1)其中,1、2、3是沿三条主轴的主柯西应力。屈服应力表示为y=A(0+)h+()k(2)式中:0为初始屈服应变;为等效应变;为等效应变率;A、k和h为材料常数。假设等效
7、应变和等效应变率为零,初始屈服应变则可以通过von Mises材料模型中的材料常数A和h以及杨氏模量E计算。1.2材料参数与边界条件有限元模拟中的边界条件:通过刚性上冲头施加位移边界条件;刚性模壁的位置固定;压坯密度的变化取决于上冲头位移的变化,在压实过程中,上下冲头以假定的应变率向中间移动。需要注意的是,模拟结果不受应变率的影响,因为假定材料对应变率不敏感。复合粉末中的每个颗粒都是独立的、可变形的,压实后,颗粒之间的接触使用“节点-分段法”控制。材料设置为弹性,颗粒材料为单一氧化锆粉末,弹性模数210 000 GPa,泊松图1氧化锆粉末随机堆积模型和颗粒的初始网格划分Fig.1Zirconi
8、a powder random stacking model and initial grid division of particles比0.22。使用库仑摩擦模型,颗粒之间的摩擦系数设置为0.2,冲头和模具是刚性的,表面光滑,以减少与粉末的摩擦。2模拟结果及分析2.1氧化锆粉体压制时相对密度的变化规律对于单一氧化锆颗粒的压制,采用DEM模拟得到的相对密度与压制力曲线如图2所示。压制初期,不稳定的随机堆积的氧化锆颗粒重排,填充颗粒间的孔隙,使相对密度增大,由初始的0.74增至0.79。当坯块相对密度达到0.79时,随着压制力增大,相对密度开始线性增大,一直到压制压力接近500 MPa时停止加
9、压,此时相对密度达到0.81。释放压制力,直至压制结束,坯块的相对密度稳定在0.8。图2无序氧化锆颗粒压制过程中相对密度与压制力关系曲线Fig.2Relative density pression force curve of disorderedzirconia particles pressing process 182第3期2.2氧化锆粉体成形的微观性能表征为了进一步探讨氧化锆颗粒在压制过程对颗粒变形、应力分布和孔隙填充产生的影响,采用MPFEM方法模拟氧化锆颗粒在成形的不同阶段von Mises应力的变化,结果如图3所示。颗粒最初处于随机堆积结构,颗粒之间有较大的孔隙,上下冲头开始向中
10、间移动时,颗粒会发生移动,然后产生弹性变形,颗粒之间也会发生相对滑动。在低密度水平时,颗粒的重排对粉体堆积的致密化起主要作用。在未施加压制力时氧化锆颗粒相对密度为0.74,当相对密度达到0.79时,小部分颗粒首先受到力的作用,形成力的链条,其余颗粒并没有受力。颗粒的位置随着压制过程的继续进行相对固定。当相对密度达到最大0.81时,由于大部分颗粒位置的影响,力链分叉又合并,力链分布形成一个网络,其中被力链包围的颗粒仍然受到较小的力。释放压制力直至压制结束,坯块的相对密度稳定在0.8。图4选取无序堆积氧化锆颗粒在最大压制力下两种内部力链的分布。图4a中,部分颗粒在压制力作用下形成了网状力链;图4b
11、中,部分颗粒被周围形成的力链所包围,仅受很小的力,甚至还可能不受力。在压制成形过程中,为了清晰观察某一颗粒的受力变化,随机选取一个在过程中受力明显的颗粒,如图5所示。随着压制力增大,该颗粒内部应力也随之增大,且该颗粒所受纵向应力大于横向应力。当然,也有部分颗粒的横向应力大于纵向应力,但总体来说,在上下冲头的双向压制下,多数颗粒的内部应力纵向大于横向。卸压过程中,von Mises应力随压制力变化如图6所示。最大压制力下形成的力链在卸压过程图3氧化锆颗粒在成形不同阶段的von Mises应力Fig.3von Mises stress of zirconia particles at differ
12、ent stages of formation图4部分氧化锆颗粒在最大压制力时内部力链分布Fig.4Internal force chain distribution of partial zirconia particles at maximum pressing force张健,等:氧化锆粉末压制成形的多粒子有限元模拟 183辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷中逐渐减少,卸压过程结束后,原来密集的网状力链变得稀疏,原来分叉出来的力链变得不再明显,有的甚至消失。选取最大压制力499 MPa时的局部区域观察内部力链,如图7所示。该区域的力链较为密集,随着卸压过程的进行,每个颗粒的受力不尽相
13、同,一些颗粒仍受到多面压力,也有一些颗粒几乎不再受力。3结论本文采用多粒子有限元法(MPFEM),通过导入由DEM生成的数据作为有限元软件的输入,生图5成形过程中颗粒所受应力变化Fig.5Stress change of particles during forming图6卸压过程的von Mises应力Fig.6von Mises stress during pressure relief process图7卸压过程局部颗粒的应力变化Fig.7Stress change of local particles during pressure relief 184第3期成单一氧化锆颗粒无序堆积模
14、型,在双向压制成形的过程中研究其致密化行为,详细分析氧化锆颗粒无序堆积结构的宏观性能,即坯块相对密度随压制压力的变化,并从微观颗粒尺度探究氧化锆颗粒的致密化演变过程。(1)宏观压制曲线表明,在压制初期,不稳定的随机堆积的氧化锆颗粒重排,填充孔隙,使相对密度增大,由未施加压制力的0.74增至0.79。随着压制力增大,相对密度开始线性增大,达到0.81。释放压制力直至压制结束,坯块的相对密度稳定在0.8。(2)在压制过程中,一部分颗粒受力作用,形成力的链条,其余颗粒并没有受力。当压制力最大时,大部分颗粒在压制力作用下形成网状力链,小部分颗粒被周围力链包围,受力很小或不受力。(3)在上下冲头的双向压
15、制下,随着压制力增大,颗粒内部应力也随之增大。总体上,颗粒所受纵向应力大于横向应力。(4)最大压制力下形成的力链在卸压过程中逐渐减少,卸压过程结束后,网状力链由密集变为稀疏,分叉的力链不再明显,有的甚至消失。参 考 文 献:1 师昌绪,仲增墉.中国高温合金 40 年 J.金属学报,1997,33(1):1-8.2 姜兰.用于镍基高温合金熔炼氧化锆耐火材料的研究D.上海:上海大学,2017.3SINHA T,BHARADWAJ R T.Finite element analysisof pharmaceutical tablet compaction using a density de-pen
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