一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法，步骤为：首先根据粉末冶金配方成分，获得各项成分的含量和粒度范围，主要参数为最大与最小粒径，通过不同组分的密度和含量计算物料颗粒的平均密度，获取各粒径带下的颗粒体积与颗粒数量；然后通过PFC

A 3D finite element modeling and simulation method for powder metallurgy random size distribution

The invention discloses a powder metallurgy random particle size distribution 3D finite element modeling and simulation method, which comprises the following steps: firstly according to the formula of powder metallurgy components, obtain the content and size of the components, the main parameters for the maximum and minimum particle size, particle density and average density calculation of material content by different components, the the particle size below the particle size and the number of particles; and then through the PFC

【技术实现步骤摘要】
一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法
本专利技术属于粉末冶金仿真制造
，涉及一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法。
技术介绍
粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过压制成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造，因而备受工业界的重视。其一般的制造过程包括：(1)生产粉末。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为改善粉末的成型性和可塑性通常加入机油、橡胶或石蜡等增塑剂。粗粉末粒度有500～1000微米超细粉末粒度小于0.5微米等等。(2)压制成型。粉末颗粒在15-600MPa压力下与增塑剂一起压成所需形状。(3)烧结。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法，解决了在粉末冶金烧结加工生产过程中难以对其进行建模仿真的困难。本专利技术的特点是结合了随机离散化的建模手段和有限元分析手段，将建模过程利用离散元进行，分析过程利用有限元进行，实现了粉末冶金复杂组分的三相固液混合烧结材料的3D仿真建模与分析。本专利技术采用的技术方案为：一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法，该方法具体步骤如下：步骤一：根据粉末冶金配方成分，获得各项成分的含量和粒度范围，主要参数为最大粒径Dmax与最小粒径Dmin；步骤二：通过不同组分的密度和含量计算物料颗粒的平均密度。根据步骤一获得的最大与最小粒径，将粒径划分成3-7个粒径带。每个粒径带取最大与最小粒径分别表示为：Di1和Di2，i表示粒径带数。并将其带入代表粒径计算公式，计算各粒径带下的颗粒所占的体积V与颗粒数量N；步骤三：通过PFC3D软件的边界设置，指定颗粒的投放区域，投放颗粒的数量就是步骤二计算获得的颗粒的数量N，投放的次序是先进行大粒径颗粒的投放，依次减小粒径至最小粒径，颗粒投放位置是随机分布的。步骤四：通过数组的方式将每一个颗粒的坐标(x，y，z)和粒径D从PFC3D中输出，然后通过ANSYS命令流，读入各个颗粒的坐标与粒径，具体的实现方法如下：首先移动工作平面到数组坐标位置；然后建立球体，半径为D/2；恢复到全局坐标系的原点；然后进行下一个坐标的移动，如此往复，直到将所有的颗粒三维模型建完为止。步骤五：对上一步形成的3D模型进行布尔运算，从而建立出颗粒与颗粒之间的增塑剂的3D模型；将二者进行粘结操作，将两个模型粘结成一个模型。步骤六：将步骤五生成的模型通过.GIES文件导入Hypermesh软件，首先进行实体化，然后对模型进行网格的划分；步骤七：将划分好的模型导回ANSYS，考虑材料的属性和设置加载边界，按照粉末冶金的烧结加工过程设置加热条件，加载求解器进行计算求解。其中，步骤一获得各项成分的粒度范围时，考虑最大与最小粒径，以及由此计算获得各个颗粒带所占的体积V与颗粒数量N。其中，步骤四数组输出方式为每一个颗粒的坐标(x，y，z)和粒径D。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术相比现有的粉末冶金仿真而言所采用的建模过程更加精确，现有的建模过程对于组分的模型建立不考虑配比问题，本建模法从物料配比入手，建立了各级组分的不同粒径的组分模型，更能反映混合料的特性。(2)本专利技术所建立的模型为随机模型，现有建模法在粉末冶金组分模型建立时采用的均是均匀建模法，即组分颗粒建立成等直径大小的颗粒，随机模型更能反映组分颗粒的真实存在形式，使模型更加精确。(3)本专利技术采用了离散元与有限元联合仿真技术，吸取了各自的建模特点，使得建模过程更加简单，分析过程更加方便。附图说明图1为本专利技术粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法流程图；图2为本专利技术的投放区域模型建立过程；图3为本专利技术的组分颗粒的投放过程；图4为ANSYS中读入的关键点；图5为布尔运算后的有限元模型；图6为增塑剂模型的建立；图7为Hypermesh中实体面的破损示意图；图8为破面修复之后的颗粒三维模型；图9为划分网格之后的三维有限元模型，其中，图9(a)为颗粒模型网格划分，图9(b)为增塑剂模型网格划分；图10为有限元仿真计算结果云图，其中，图10(a)为增塑剂模型谐响应分析结果，图10(b)为颗粒模型谐响应分析结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术方法的实施方式做详细说明。该方法的流程图如图1所示。本专利技术一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法，该方法具体实施方式如下：步骤一：根据粉末冶金成分配方，获得其组分成分包括：各组分的最大与最小粒径、组分材料、组分的密度、弹性模量、增塑剂的密度、增塑剂的弹性模量等。这里设组分的最大粒径为：Dmax，最小粒径为：Dmin。步骤二：根据平均密度计算公式，通过不同组分的密度和含量，带入公式计算获得物料颗粒的平均密度ρ。根据步骤一获得的最大与最小粒径的范围，将粒径范围划分成3-7份，每一份成为一个粒径带，设第i个粒径带的最大粒径为Di1，最小粒径为：Di2。将其带入代表粒径计算公式，如下：通过计算可以获得每一个粒径带的代表粒径，然后通过代表粒径和球体公式，可以计算出一个颗粒的体积，然后根据配方中规定的颗粒直径的分布状态与含量，继而计算出第i个粒径带中颗粒的数量Ni和所占体积Vi。步骤三：颗粒的投放是通过编写Fish语言控制PFC3D进行组分在指定区域的投放，投放颗粒的数量就是上一步骤中计算获得的组分颗粒的计算数量Ni，然后将所有组分的粒径范围进行排序，投放的次序是先进行大粒径颗粒的投放，依次降低颗粒直径，直到将最后一种组分的颗粒投放完毕为止。步骤四：离散元软件PFC3D作为模型的离散化工具，可以将模型的位置的参数，通过数组的方式将各个颗粒的坐标(x，y，z)和粒径D输出，然后提供给我们进行后期的处理。将颗粒坐标与粒径导入ANSYS中进行建模，导入方法为ANSYS命令流，首先移动工作平面到数组坐标位置；然后建立球体，半径为D/2；然后恢复到全局坐标系的原点；重复进行下一个坐标的移动。步骤五：一般的粉末冶金的制造均需要由增塑剂参与，它是填充在组分颗粒球之间的增塑材料。为了模拟增塑剂在制造过程的作用，首先要建立圆柱体，然后再通过布尔减运算将组分颗粒所在的位置挖空，接着将组分颗粒保留，将二者进行粘结操作，便可以将颗粒模型和增塑剂模型粘结成一个模型，就建立起了增塑剂和组分颗粒的实体模型。步骤六：将步骤五建立的3D实体模型通过.GIES文件导入Hypermesh软件，选用其实体化工具，将所有的颗粒模型和增塑剂模型进行实体化，然后对实体化后的3D模型进行网格的划分；步骤七：将划分好有限元网格的模型导回AN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法，其特征在于实现步骤如下：步骤一：根据粉末冶金配方成分，获得各项成分的含量和粒度范围，主要参数为最大粒径D

【技术特征摘要】
1.一种粉末冶金随机粒度分布3D有限元建模与仿真方法，其特征在于实现步骤如下：步骤一：根据粉末冶金配方成分，获得各项成分的含量和粒度范围，主要参数为最大粒径Dmax与最小粒径Dmin；步骤二：通过不同组分的密度和含量计算物料颗粒的平均密度，根据步骤一获得的最大与最小粒径，将粒径划分成3-7个粒径带，每个粒径带取最大与最小粒径分别表示为：Di1和Di2，i表示粒径带数，并将其带入代表粒径计算公式，计算各粒径带下的颗粒所占的体积V与颗粒数量N；步骤三：通过PFC3D软件的边界设置，指定颗粒的投放区域，投放颗粒的数量就是步骤二计算获得的颗粒的数量N，投放的次序是先进行大粒径颗粒的投放，依次减小粒径至最小粒径，颗粒投放位置是随机分布的；步骤四：通过数组的方式将每一个颗粒的坐标(x，y，z)和粒径D从PFC3D中输出，然后通过ANSYS命令流，读入各个颗粒的坐标与粒径，具体的实现方法如下：首先移动工作平面到数组坐标位置；然后建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延忠，郭超，贾树王，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11