細粉緊實的離散模擬及物理實驗研究

中文摘要

粒子的緊實是一個強化的過程，它是生產具有足夠力學性能及特定幾何形狀部件的必要前提，並已被廣泛套用於許多工業領域，例如粉末冶金、陶瓷工業、爆炸充填、催化劑製造及製藥工業等。然而，緊實過程仍然是一個被了解很少的環節，尤其是在顯微層次。基於離散元方法(DEM)的數值模擬可以在粒子尺度上產生微動力學信息。本項目旨在開發一個DEM模型來模擬不同條件下細粒子(微米級)的緊實，包括由模具的充填到傳輸到隨後在外力作用下的緻密化，並分析與粒子特性及材料性能相關的巨觀及微觀性能，例如堆積密度及分布、配位數、徑向分布函式、孔隙及力的結構等。尤其是探討獲得高緻密結構的機理，建立緊實壓力與緊實體堆積密度之間的關係，並研究粉體特性和材料性能對這些關係的影響。同時，展開相關的物理實驗對所提出的模型進行驗證。本項目的成功完成將會形成對緊實過程潛在物理的更好理解，同時對緊實體均勻性及微觀力學性能進行更準確的預測。

結題摘要

“細粉緊實的離散模擬及物理實驗研究”課題(編號50974040)自立項以來，在項目組成員(包括項目負責人和項目參加人員，以下同)的不懈努力和積極探索下按既定計畫圓滿完成。整個研究周期內，項目的研究計畫要點及執行情況如下：在物理實驗方面，利用自主研發的可實現粉體在振動及壓制條件下成形的設備(該設備考慮了從粒子的初始充填到在外部能量作用下緊實的各個環節，已申請國家發明專利)，項目組成員實現了不同的金屬粉體在外力作用下的成形，並對外部條件如振動及壓制壓力與壓制時間對粒子堆積緻密化的影響規律及緻密化的機理展開了系統的研究，主要包括：(1) 粉體成形設備的開發與研製；(2) 模具充填過程中外部能量的輸入對粒子松裝密度及堆積結構的影響；(3) 粒子成形過程中外部能量對粒子堆積緻密化的影響；(4) 各種情況下所獲得的緻密堆積結構的巨觀和微觀性能表征及緻密化機理的分析。在數值仿真方面，採用基於分子動力學的離散元(DEM)數值模擬，項目組成員實時再現了單一尺寸及二元球形粒子振動堆積緻密化過程，單一尺寸及多元粉體粒子無定形態及晶態堆積結構，並對這些結構的巨觀性能(如堆積密度或堆積體積分數)及微觀性能如配位數(CN)、徑向分布函式(RDF)、角分布函式(ADF)、力的網路結構(Force network)及其分布與傳遞進行了表征，這是DEM動力學模型模擬優於其它基於幾何的數值模型如蒙特卡羅(MC)模擬的一大亮點。同時，針對粉體粒子在壓力作用下的成形過程，採用有限元(FEM)方法進行了數值模擬，並對結果進行了分析。依託於本項目，項目組成員已發表英文SCI(已接收)論文三篇，中文核心期刊論文一篇，另有五篇英文SCI論文正在發表；申請國家發明專利三項；參加國際會議四次，國內會議兩次；赴澳大利亞新南威爾斯大學進行學術訪問一次；多次邀請國外專家學者對項目執行人所在單位進行學術訪問，並作學術報告；協助舉辦國際會議一次；指導碩士研究生五名(其中三名已畢業)，協助指導博士研究生兩名，指導八名本科生進行畢業設計(其中六名已畢業)；推薦五名學生到國家高水平大學攻讀博士學位，其中四名同學獲得國外大學提供的全額獎學金。開設本科生純英文教學課一門，名為“Powder Technology in Iron and Steel Making”；同時計畫於2013年3-6月對澳大利亞新南威爾斯大學材科學與工程學院顆粒系

細粉緊實的離散模擬及物理實驗研究

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