粉体堆积致密化的多尺度数值仿真及机理分析

According to the problems in current powder materials, such as poor forming quality, numerical simulation only focusing on one certain stage with many assumptions, and less understanding on the densification mechanisms etc., the coupling, in this application, between discrete element method (DEM) dynamic simulation from microscopic scale and finite element method (FEM) continuous modeling from macroscopic scale will be carried out to study the densification of multi-modal powders with various size ratio and composition in the whole process of forming (from powder generation to transportation and to the formation of the initial packing with a certain packing density and structure under external energy such as vibration).And then the formed discrete packing structure, as the input, is compacted under external energy such as compression with or without vibration. In the whole process, each stage is considered and coupled to reduce the assumptions to the minimum. The powder packing structures at different packing stages are numerically characterized from the discrete and continuous points of view, and the densification mechanisms are further discussed and analyzed as well. Corresponding to numerical simulation, systematic physical experiments are carried out using our self designed equipment. Besides the characterization on compact structures and properties and process optimization, the emphasis is particularly on the densification mechanism of the high property compact formed and the validation of the numerical results. The proposed method sets up a good precondition for the future manufacture of high performance powder metallurgy and particulate composite materials.

针对当前粉末材料成形质量不高、数值模拟彼此孤立且存在许多假设以及致密化机理尚不十分明确等问题，项目拟采用微观尺度离散元(DEM)动力学模拟与宏观尺度有限元(FEM)连续模拟相耦合的方法研究具有不同尺寸比及成分的多元粉体从初始生成到在模具内的传输到在外部能量(如振动)作用下形成具有一定密度及结构的初始堆积，然后以此离散结构为输入在外部能量(如压制或振压)作用下成形的全过程。整个模拟过程综合考虑了成形的各个环节，彼此之间相互耦合，从而使假设降至最少。数值模拟中将分别从离散和连续角度对不同阶段的粒子堆积结构进行表征，并对堆积致密化的机理进行深入探讨与分析。依照数值仿真，在项目组自主研制的粉体成形设备上展开系统物理实验，除对压坯结构和性能进行表征及工艺优化外，重点研究高性能粉末压坯形成的机理，以及对数值仿真结果的验证。所提出的方法为未来高性能粉末冶金及颗粒复合材料的制备创造了良好的条件。

针对不同形状粉体成形过程中存在的问题，项目采用多尺度计算机仿真及物理实验的方法对不同形状粉体的初始堆积及在外部能量作用下的成形致密化展开了系统深入的研究，明确了各操作参数对粉体堆积致密化的影响规律，并对堆积结构的宏观性能及各微观性能进行了表征，从而揭示了不同粉体在堆积及成形致密化过程中的动力学及机理，这些创新性成果无论是对科学研究还是对工业生产实践均具有重要的理论及实际意义。尤其是项目组成员所使用的多尺度数值仿真方法突破了传统连续尺度模拟方法的瓶颈，实现了宏观连续尺度与微观粒子尺度的耦合，大大减少了模拟过程中的假设，从而使模拟结果更加准确、更加接近实际。..依托本项目，项目组已发表SCI期刊论文16篇，授权国家发明专利2项、实用新型专利1项，申请国家发明专利2项。培养研究生16人（其中硕士11人，博士5人），本科生6人。参加国内和国际会议16次（其中作大会报告/邀请报告/主题报告9次），组织国际会议2次。输送2名硕士生赴海外高水平大学攻读博士学位。1名硕士生的毕业论文分别被评为辽宁省及东北大学优秀硕士毕业论文。项目负责人获得的荣誉包括：辽宁省优秀科技工作者（2014），扬州市江都区“龙川英才”（2015），江苏省“双创博士”（2016），中国颗粒学会科技进步二等奖（2016），辽宁省自然科学三等奖（2016）。项目负责人担任的社会兼职包括：全国材料新技术发展研究会常务理事（2014），中国微米纳米技术学会理事（2015），中国颗粒学会青年理事（2016），辽宁颗粒学会理事（2016）；担任的学术兼职包括：“Journal of Mineral, Metal and Material Engineering”, “Engineering and Materials Sciences”, “Engineering and Applied Sciences”, “Universal Journal of Materials Science”, “材料科学”, “中国粉体技术”等期刊编委，“中国科技论文”期刊编辑。十几个国外期刊的论文审稿专家。另外，项目负责人还在东北大学冶金学院组建了“过程冶金及粉体工程”的研究中心，该中心目前有教师及研究生30余人。