热—电—力耦合作用下铁基粉末成形过程的建模及数值模拟

论文摘要

粉末冶金技术作为一项绿色制造技术,相比于传统的制造工艺,具有低成本、高效率以及近净成形等优势。粉末冶金工艺可以更为精确地控制微观组织、密度选择及合金成分等材料性能。粉末冶金零件的大量需求也进一步促进了粉末冶金技术的推陈出新,涌现出了包括热等静压(HIP)、粉末喷射成形、放电等离子烧结(SPS)等一批先进技术。因此,采用数值模拟的方法来研究粉末成形的过程并改进粉末成形的工艺成为了该领域的一个研究热点。本文主要针对金属粉末的压制成形过程以及放电等离子烧结过程进行了数值模拟和有限元建模,对相关实验研究进行了讨论和分析,并验证了模拟中所采用的理论模型的准确性。基于粉末材料的椭球形屈服准则和塑性流动理论,建立了增量形式的热弹塑性本构模型;采用返回映射的算法得到了粉末材料在加载、卸载条件下的弹塑性应力、应变关系;采用岩土塑性力学的研究方法,对比了不同屈服曲面在静水应力和Mises等效应力平面上的表现形式;采用Mises等效应力和等效静水应力的比值定性地分析了粉末的剪切屈服对椭球形屈服准则所造成的误差。运用商业有限元软件Marc开发了粉末材料本构模型的子程序,适用于复杂三维零件的粉末成形过程的模拟。通过与铁粉材料的压制实验的对比,新模型能够更好地描述铁粉在冷压工艺下的致密化过程。相比于其他模型,新模型可以更精确地计算粉末材料流动应力的变化。由于模型中采用了更为合理的粉末材料参数,所以能够很好地权衡偏应力和静水应力的影响,从而在压制的后期阶段,更准确地反映了载荷与位移的实际变化关系。研究并分析了金属粉末材料在放电等离子烧结工艺下出现的孔洞击穿的实验现象,通过试样的微观组织分析得出结论,在SPS烧结过程中可能出现的局部烧结致密化的行为将显著改变后续烧结过程中的电能、应力及温度的分布,从而为研究烧结过程中的不均匀压坯密度分布及电流分布所导致的粉末局部致密化对SPS有限元模拟的重要性提供了有力的证据。基于SPS实验现象的研究,提出了用于描述SPS烧结金属粉末材料一步成形工艺的多场耦合方案,实现了温度场、电场、应力场、位移场以及密度场的耦合模拟。该方案由热电耦合求解模块和热机耦合子程序求解模块组成。模拟结果表明,外部压力的提升有助于烧结温度的降低。在较大压力的作用下,压坯和模具间随位移场变化的接触热阻有效地抑制了粉末压坯的内部温差。而且,应力的综合作用极大地促进了压坯边缘位置低温区域的致密化进程。与实验结果的对比验证了SPS多场耦合模型的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 粉末压制理论及其数值模拟
• 1.2.1 粉末压形公式
• 1.2.2 粉末塑性力学模型
• 1.3 放电等离子烧结理论及其数值模拟
• 1.3.1 放电等离子烧结的优势
• 1.3.2 放电等离子烧结机理的研究
• 1.3.3 放电等离子烧结数值模拟的研究现状
• 1.4 研究目的和主要内容
• 1.5 课题来源
• 第二章 基于椭球形屈服准则的金属粉末本构模型
• 2.1 引言
• 2.2 非线性力学行为的描述和迭代求解
• 2.2.1 弹塑性力学基本方程
• 2.2.2 非线性问题的几何描述方法
• 2.2.3 非线性方程组的迭代求解方案
• 2.3 基于椭球形屈服准则的本构模型
• 2.3.1 粉末材料的一般屈服准则
• 2.3.2 塑性流动理论
• 2.3.3 热弹塑性本构模型
• 2.4 模型参数的设定
• 2.4.1 粉末材料的弹性模量
• 2.4.2 粉末材料的泊松比
• 2.4.3 流动应力模型
• 2.4.4 屈服曲面形式及其误差分析
• 2.4.5 相对密度的定义
• 2.5 应力增量的计算方法
• 2.5.1 加载和卸载准则
• 2.5.2 应力增量的隐式计算方法
• 2.6 二次开发子程序的实现
• 2.7 本章小结
• 第三章 屈服曲面参数分析与力学模型验证
• 3.1 引言
• 3.2 三维模型验证与屈服参数分析
• 3.2.1 网格与接触设置
• 3.2.2 材料模型与求解设置
• 3.2.3 各屈服模型参数对压制模拟的影响
• 3.3 复杂三维零件的有限元模拟与实验验证
• 3.3.1 工艺方案设计
• 3.3.2 有限元模拟结果
• 3.3.3 密度测试实验
• 3.3.4 误差分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 一步成形的 SPS 热-电-力耦合有限元模型
• 4.1 引言
• 4.2 实验条件和工艺参数
• 4.3 SPS 孔洞击穿现象研究与压力的影响
• 4.3.1 孔洞击穿实验
• 4.3.2 压力对SPS 烧结性能的影响
• 4.4 SPS 热-电-力耦合有限元理论模型
• 4.4.1 SPS 耦合建模方案
• 4.4.2 热电耦合模型
• 4.4.3 粉末粘塑性力学本构模型
• 4.5 SPS 有限元模拟分析
• 4.5.1 模型简化说明与边界处理
• 4.5.2 温度场与电场的模拟分析
• 4.5.3 变化的位移场对接触阻抗的影响
• 4.5.4 密度场与应力分布
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件