粉末高速壓製成形的格子Boltzmann跨尺度模擬及套用研究

《粉末高速壓製成形的格子Boltzmann跨尺度模擬及套用研究》是依託中南大學，由鄭洲順擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：粉末高速壓製成形的格子Boltzmann跨尺度模擬及套用研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄭洲順
• 依託單位：中南大學

項目摘要

高速壓製成形（HVC）是粉末冶金工業尋求低成本高密度材料加工技術的一次新突破，因具有壓制速度快、壓坯密度高等特點而被高度關注。目前HVC的研究主要是實驗研究和理論分析，由於忽略金屬粉體具有對外界微小作用的敏感性、非線性回響、自組織行為等跨尺度特性，而無法探究HVC中粉體及其複雜體系的流動與成形規律，不能分析缺陷形成的不確定性機理。本項目基於分子動理論和守恆定律，從微觀到巨觀分析HVC中能量傳遞、轉換和耗散等特性，用格子Boltzmann方法建立更準確描述HVC過程的數學模型；研究粉末的物性表征參數、模型邊界條件和數值解法，實現HVC過程的跨尺度數值模擬。通過數值模擬與實驗研究對比分析，研究HVC過程粉體的流變與緻密化機制，分析工藝參數的微小變化對粉末流動的影響，探索成形坯缺陷的產生與演化規律。項目的研究對最佳化工藝參數、穩定產品質量，實現HVC高效成形技術智慧型化具有重要的理論意義和實用價值。

結題摘要

由於粉末HVC實驗研究和理論分析中忽略金屬粉體對外界微小作用的敏感性等跨尺度特性，而無法探究HVC中粉體的流動成形規律和缺陷形成的不確定性機理。本項目基於分子動理論和物理守恆定律，分析HVC及緻密化過程中粉末流動的跨尺度變化規律，將格子Boltzmann方法套用於HVC過程的跨尺度數值模擬研究；用數值和實驗方法測定HVC常用粉末顆粒邊界、表面、形狀的分形參數，分析粉體對外界微小作用非線性回響與其複雜結構的關係；將分數階微積分套用於HVC粉體顆粒流動與流變學行為的研究，分析HVC及緻密化過程中粉末的流動特徵與成形機理，構建了HVC粉末的本構關係模型，建立了HVC過程的分數階本構方程。將傳統界面追蹤方法與格子Boltzmann模型相結合，用固定格線等分HVC模腔中粉末初始填充區域，採用D2Q13多速度可壓縮格子Boltzmann模型和分布函式演化方程的LBGK格式描述粉末顆粒在格線上進行的碰撞和流動，建立了粉末HVC過程的多速度可壓縮格子Boltzmann二維模型。用HVC工藝特徵確定模型的定解條件，對有限差分、有限元格子Boltzmann方法等進行研究，給出HVC過程格子Boltzmann模型的數值解法，實現了HVC過程的跨尺度數值模擬，並將格子Boltzmann方法套用於幾類典型偏微分方程的數值求解研究；基於應力波傳播原理建立HVC過程的應力波傳播模型，用特徵線方法對其進行數值求解。用格子Boltzmann方法分別對圓柱體模具和單台階圓柱體模具的HVC二維流動進行了跨尺度數值模擬，分析了在應力波反覆作用下HVC壓坯密度的分布規律，數值模擬結果與實驗結果吻合；對HVC過程進行數值實驗，分析壓坯缺陷的產生和演化規律，結果表明長徑比大時壓坯中間會形成低密度窄帶導緻密度分層或斷層，從而科學地解釋了實驗現象。此外，基於BP神經網路研究了粉末注射成形工藝參數的智慧型最佳化與控制方法，對分數階微分方程的有限差分、有限元、譜方法等數值算法進行深入研究；為HVC分數階本構方程、HVC分數階微分方程模型的數值求解奠定了理論基礎。項目研究發表論文26篇,其中13篇SCI、5篇EI，培養畢業博士4人、畢業碩士9人，達到預期研究目標，為分析HVC過程應力波的傳遞與作用機制、粉體的流變與成形機理、最佳化工藝參數等提供了科學依據和有用信息，對實現HVC成形技術智慧型化具有重要理論意義和實際套用價值。