基于颗粒模型的取样钳粉末注射成形

基于颗粒模型对粉末注射成形进行模拟,假设粉末为允许有重叠量的刚性体,黏结剂处理成颗粒间的黏性连接,在PFC3D离散元程序中编程模拟取样钳零件的三维粉末注射成形过程。研究结果表明:在型腔中心区域发生颗粒聚集,产生较大的中心压力,颗粒的填充速度矢量呈中心发散性,界面处颗粒密度明显小于中心区域。尖角部分由于较大的注射阻力难以填充,导致颗粒密度不均而使最终产品产生变形。对取样钳零件的实际注射实验表明确实存在粉末颗粒难以进入具有较大阻力的尖角部位而导致尖角区域存在较多黏结剂,型腔中心区域颗粒密集,而贴近型腔壁颗粒稀疏。这种粉末密度分布不均的现象与颗粒模型模拟的结论相符合。     

基于三维离散元法的沥青混合料断裂过程模拟

为了从材料细观结构角度研究沥青混凝土的断裂机理,运用离散元程序PFC3D内的"Fish"语言,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的空间不规则形状,结合集料颗粒的随机投放算法和离散元的空隙处理方法,建立了沥青混凝土小梁试件的三维离散元模型;通过室内沥青砂浆单轴压缩试验和劈裂试验,并结合宏观性能与微观力学参数的转化关系,获得了用于离散元模拟的各类微观参数;采用三维离散元程序PFC3D,进行了-10℃和15℃条件下小梁中点弯曲断裂试验的离散元模拟,获得了弯曲断裂曲线;采用与混合料三维离散元结构相同沥青用量、空隙率和级配在室内成型了沥青混合料的小梁试件,并获得了室内实测断裂曲线.研究结果表明:所建立的离散元模型可以充分考虑集料颗粒的不规则形状、集料级配特征和空隙大小;三维离散元方法可以较好地模拟沥青混合料弯曲断裂过程中裂纹起始和扩展的现象,模拟结果与室内实测结果基本相当;三维离散元模拟可以作为研究沥青混合料断裂特征的辅助手段.     

注射成型残余应力的数值模拟

对注射成型过程中的残余应力进行了研究.针对注射成型的特点,采用线性粘弹性模型计算了注射成型过程中温度和压力引起的残余应力,充分考虑了保压压力和应力松弛对残余应力的影响,数值实现中采用了在时间上有限差分的计算方法.通过模拟计算平板形状制品残余应力在壁厚方向和流动方向上的分布及其在成型中的变化过程,深入讨论了注射成型过程中残余应力的形成机理和演变情况.实验证明了所提出的残余应力模型和计算方法的正确性与合理性.通过预测和优化注射成型中的残余应力,可以提高制品最终形状的尺寸稳定性和力学性能,对实际生产有一定的指导意义.     

粉末烧结的计算机模拟方法研究进展

粉末烧结是多种因素作用下的一系列物理、化学变化的复杂过程,计算机模拟技术为研究复杂烧结过程提供了强有力的工具.笔者总结了近10年来计算机模拟方法在颗粒烧结过程中的应用研究进展,具体综述了相场法、蒙特卡罗法、有限元法、分子动力学法和离散单元法的研究.介绍了不同方法取得的代表性成果,并比较了不同数值方法的优势和劣势.通过总结,使读者对粉末烧结的数值模拟方法有较全面的认识.     

高分子粘弹性熔体注射成型非等温保压过程的模拟

对粘弹性熔体的注射成型非等温保压过程进行了模拟．数值计算使用有限元／有限差分的混合方法．计算结果表明,由于可压缩性,流道中的熔体能进一步流入模腔,使制品增密．保压过程是一个非等温过程,温度变化对制品性能有较大影响．由于选用了粘弹性本构方程,除了剪切应力外,模型还能预测法向应力分布．理论计算结果与商品软件ＭＯＬＤＦＬＯＷ进行了比较,压力分布吻合较好．     

堆石体柱状试件成型过程的材料点法仿真

为探索散体工程材料的力学特性,采用数值仿真技术模拟了柱状堆石体试件的成型过程。采用了材料点法作为仿真计算模型。在仿真分析中,堆石体颗粒用随机生成方法构造,具有随机形状且符合级配要求,并用材料点离散描述。数值仿真与实验室中实际堆石体成型过程相同,颗粒分批在重力作用下落入成型桶中,在阻尼措施作用下能量耗散,形成具有一定密实度的试样。该模拟再现了试件成型过程中颗粒之间的相互作用,包括挤压、滑移、分离等现象。该方法可用于深入研究散体材料特性。     

应用离散单元法对二维流化床内流态进行数值模拟研究

采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,将广泛应用于岩土力学中的离散单元法DEM (Distinct Element Method)引入流体力学中以计算颗粒与颗粒之间的作用力,同时考虑颗粒与流体间的相互作用(双向耦合),对二维流化床进行数值模拟,结果与实验观察到的现象基本一致,预示着离散单元法在密相气固两相流数值模拟研究中具有广阔的前景.     

颗粒破碎过程的离散元精细化建模

为了模拟颗粒的破碎过程,反映颗粒破碎后碎片的真实形状,改进了多面体的接触识别算法,提出了一种基于离散元法的精细化弹簧-四面体单元破碎模型.将多面体颗粒用弹簧-四面体单元离散后,利用连接线性目录法建立可能接触颗粒对的邻居目录,采用改进的射线穿透法判断邻居目录中颗粒对是否真正接触.两种算法共用边界盒,讨论了接触识别算法中特殊的接触类型,并计算接触力.通过最大拉力准则判断弹簧断裂,最终获得多面体颗粒的破碎情况,并对六棱柱颗粒高速冲击刚性边界的破碎过程进行了数值模拟,研究了不同速度下颗粒高速冲击刚性边界的破碎程度.模拟结果表明,建立的弹簧-四面体单元破碎模型可以模拟多面体颗粒的破碎过程,连接线性目录法能够快速建立颗粒系统的邻居目录,改进的射线穿透法能有效地识别颗粒间各种复杂的接触情况.研究结果表明,颗粒破碎是从未破碎-快速发展-缓慢发展的过程,并且速度越大,初始破碎时刻越早,破碎发展速度越快,破碎程度也越严重.数值模拟结果与颗粒冲击破碎实验的结果趋势相符,计算模型反映了真实情况下颗粒的破碎趋势.改进了的多面体接触识别算法和提出的弹簧-四面体单元破碎模型可以有效地模拟颗粒的破碎过程,解决颗粒破碎后碎片的真实形状问题.     

砂土堆积试验的组合Clump颗粒离散元模拟

为研究颗粒形状对砂土力学性质的影响,以室内试验结果为基础,采用离散元软件PFC3D模拟了颗粒堆积试验。选取球形度为颗粒形状特征系数,生成一系列球形度为0.33~1.0的Clump颗粒,用PFC软件对颗粒之间分别赋予不同的摩擦系数共模拟了81种试样。通过将模拟结果与室内试验结果对比以验证采用球形度模拟砂土的可行性,探讨了颗粒球形度及摩擦系数对颗粒堆积体宏观响应和细观组构变化的影响。结果表明:组合Clump颗粒试样的最大孔隙比与最小孔隙比与室内实测结果基本一致,验证了该方法的可行性;试样的自然休止角及孔隙率均与颗粒摩擦系数存在正相关关系,平均接触数则随摩擦系数增大而减小;根据颗粒球形度统计结果在离散元中模拟砂土颗粒可直接采用实际颗粒的摩擦系数;该方法对传统散体颗粒的细观模拟研究方法进行了改进,能够弥补离散元中用圆球颗粒模拟不规则颗粒的不足。     

秸秆压缩制粒双模挤压成型过程模拟及分析

应用ANSYS软件对秸秆压缩制粒双模挤压成型过程进行数值模拟,通过对挤压成型过程中秸秆颗粒应力以及模孔的受力分析,得出成品出现裂纹和松弛的现象与物料在径向方向上的流变速率不一致有关的结论,为提高产品品质提供了理论依据.将秸秆颗粒挤压成型的影响因素进行了力学表征,从微观力学角度对其影响因素进行分析,以期为工程化研究提供参考.     

新一代近净成型技术—粉末注射成型的进展

阐述了粉末注射成型技术的基本概念、应用领域和工艺流程,综述了国内外粉末注射成型技术的研究进展,并对该技术的发展趋势进行了展望.     

基于分形特性PIM成形坯导热率的计算

分析了粉末注射成形坯的分形特性,给出了其剖面颗粒面积分形维数的一般计算方法;利用剖面颗粒表面分形维数,计算了粉末注射成形坯剖面颗粒的各向异性局部面积占有率.进而基于多孔介质导热率的分形模型,推导出了粉未颗粒和粘结剂串并联及无量纲时的粉末注射成形坯各向异性有效导热率的计算公式,并以铁粉成形坯为例分析了有效导热率与剖面颗粒分形维数的关系.结果表明粉末注射成形坯的导热率随着分形维数的增加而增大.     

颗粒材料崩塌模拟与特征研究

颗粒材料所表现出的行为特征是许多工艺技术及自然现象研究的理论基础.为对颗粒材料的崩塌特征进行深入研究，应用离散单元数值方法对颗粒材料崩塌进行了数值模拟，计算通过了试验数据的数值验证，说明计算结果是正确而有效的.在数值计算模拟的基础上，对两类典型颗粒崩塌过程及特征进行了研究与分析，最后利用数值计算结果得到不同崩塌条件下静止核心区的规律曲线并进行了分析.     

泥石流启动试验的数值模拟研究

采用离散元颗粒流程序PFC3D(Particle Flow Code)对泥石流启动过程的模型试验进行数值模拟研究.考虑泥石流启动过程中砂土的非饱和特性,在前期研究的基础上对模型进行改进,利用微小颗粒模拟水团,并通过设置黏结模型模拟土颗粒间的基质吸力.将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析,分析得出泥石流的启动表现为后部土体推挤前部土体快速下滑.非饱和状态下,颗粒间的基质吸力提供了一定的土体强度,当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时,土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态,泥石流才会启动.与原有未考虑非饱和特性的数值模拟方法对比,结果表明,使用PFC3D并考虑土体非饱和特性,可以更接近地模拟流滑型泥石流的破坏形态和启动过程.     

颗粒材料力学特性的数值模拟

针对颗粒介质特殊的力学特性,研究了二维颗粒堆积体中力的传递与分布,应用离散元理论建立数值模拟模型,并计算了堆积体中的接触力.结果表明,计算结果与物理试验现象较为吻合,在模拟中同时反映了颗粒介质中的拱效应和双峰现象.     

CO2吸附剂的研究

利用介孔材料MCM-41作为吸附剂实现CO2的吸附,以达到控制CO2排放的目的.将MCM-41作为载体,实现材料表面氨基修饰,从而提高MCM-41材料的吸附性能.为使原料粉末适用于工业应用,利用高温烧结法及低温压片法对粉末进行成型,形成特定的固体颗粒,由实验结果可以看出高温烧结法成型的颗粒坚硬且耐溶剂性能强.采用茚三酮比色法,实现氨基嫁接率的测定.经测定得到吸光度与氨基浓度的回归方程.     

粉末冶金装粉过程的粉末流动数值模拟

在粉末冶金过程中,装粉阶段对零件最终密度和均匀性有复杂的影响,而传统的实验方法难以全面地对流动特性进行研究,基于离散单元法能够获得粉末流动的详细信息.采用离散单元法对装粉过程的粉末流动进行仿真模拟和实验验证,并分析了产生差异的原因.进一步对影响粉末充型流动性的参数采用正交工况进行数值模拟,以装粉时间为评价指标,分析了各影响参数的影响程度,建立了较优的参数值,为粉末装粉工艺操作提供参考数据.     

沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验

为了从沥青混合料不连续特征的角度研究其永久变形行为,采用离散元方法进行了沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验,生成了包含粗集料、沥青砂浆及空隙的沥青混合料三维离散元虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,并采用基于时温等效原理的方法对粘弹性离散元模型的计算效率进行了优化,最后将三维虚拟试验结果与二维虚拟试验及室内试验结果进行了比较.研究表明:时温等效原理能够大大减少粘弹性离散元模型的计算时间;三维虚拟试验结果与室内试验结果相差无几,二维虚拟试验结果大于三维虚拟试验及室内试验结果,且随着荷载的增大差异也随之增大.     

基于扩展多面体包络函数的快速接触搜索算法

扩展多面体是由基本多面体和扩展球体通过Minkowski Sum方法构造生成,其同时具有多面体和球体的几何性质,可用于复杂形态颗粒的离散元模拟.为提高扩展多面体单元的接触搜索效率,本文采用球面函数与二阶多面体扩展函数加权求和的方法形成扩展多面体的包络函数,将扩展多面体的接触问题转化为两个包络函数之间的优化问题.通过拉格朗日乘子算法可求解该优化问题进而确定两个包络函数之间的接触中心点.基于该接触中心点可快速判断多面体单元间的最近点以及两个接触颗粒的接触法向和接触重叠量,从而避免了以往接触判断中逐个几何特征搜索判断导致的算法复杂性,有效地提高了扩展多面体离散元的接触搜索效率.综合以上扩展多面体单元的快速接触搜索方法和非线性接触模型,本文发展了基于扩展多面体的非规则离散元方法.通过不同形态单个颗粒下落过程的模拟,研究了包络函数中光滑度系数对结果的影响.分析表明光滑度系数在0.0001–0.1范围内对计算结果影响较小,且光滑度系数越小计算结果越趋近于一致,说明本文方法具有良好的稳定性.通过多颗粒在方形平底漏斗中卸料过程的离散元模拟,与已有的试验和数值模拟结果对比分析了漏斗中的剩余颗粒比例,验证了本文提出的高效接触搜索算法和非线性接触模型的可靠性.     

苏北粉土非线性特性离散元模拟与参数分析

离散元法对颗粒系统进行动态分析,在离散颗粒单元接触分析与宏观响应间建立联系,使其成为试验手段分析细观特性的有益补充.采用三维颗粒离散元程序YADE进行了颗粒细观参数的参数分析,分析细观参数对三轴试验宏观响应的影响.研究表明：弹性模量和泊松比不仅与接触法向刚度和刚度比有关,同时随粒间摩擦角变化;而固结和剪切两个阶段粒间摩擦角控制了试样的剪胀水平和孔隙率向临界孔隙率的发展趋势.根据参数分析结果,提出了改进的三轴试验细观参数的标定步骤,并对室内试验进行模拟.模拟结果与室内试验结果较为吻合,表明该数值方法应用于三轴非线性变形特性研究具有可行性.