细粉紧实的离散模拟及物理实验研究

粒子的紧实是一个强化的过程，它是生产具有足够力学性能及特定几何形状部件的必要前提，并已被广泛应用于许多工业领域，例如粉末冶金、陶瓷工业、爆炸充填、催化剂制造及制药工业等。然而，紧实过程仍然是一个被了解很少的环节，尤其是在显微层次。基于离散元方法(DEM)的数值模拟可以在粒子尺度上产生微动力学信息。本项目旨在开发一个DEM模型来模拟不同条件下细粒子(微米级)的紧实，包括由模具的充填到传输到随后在外力作用下的致密化，并分析与粒子特性及材料性能相关的宏观及微观性能，例如堆积密度及分布、配位数、径向分布函数、孔隙及力的结构等。尤其是探讨获得高致密结构的机理，建立紧实压力与紧实体堆积密度之间的关系，并研究粉体特性和材料性能对这些关系的影响。同时，展开相关的物理实验对所提出的模型进行验证。本项目的成功完成将会形成对紧实过程潜在物理的更好理解，同时对紧实体均匀性及微观力学性能进行更准确的预测。

“细粉紧实的离散模拟及物理实验研究”课题(编号50974040)自立项以来，在项目组成员(包括项目负责人和项目参加人员，以下同)的不懈努力和积极探索下按既定计划圆满完成。整个研究周期内，项目的研究计划要点及执行情况如下：在物理实验方面，利用自主研发的可实现粉体在振动及压制条件下成形的设备(该设备考虑了从粒子的初始充填到在外部能量作用下紧实的各个环节，已申请国家发明专利)，项目组成员实现了不同的金属粉体在外力作用下的成形，并对外部条件如振动及压制压力与压制时间对粒子堆积致密化的影响规律及致密化的机理展开了系统的研究，主要包括：(1) 粉体成形设备的开发与研制；(2) 模具充填过程中外部能量的输入对粒子松装密度及堆积结构的影响；(3) 粒子成形过程中外部能量对粒子堆积致密化的影响；(4) 各种情况下所获得的致密堆积结构的宏观和微观性能表征及致密化机理的分析。在数值仿真方面，采用基于分子动力学的离散元(DEM)数值模拟，项目组成员实时再现了单一尺寸及二元球形粒子振动堆积致密化过程，单一尺寸及多元粉体粒子无定形态及晶态堆积结构，并对这些结构的宏观性能(如堆积密度或堆积体积分数)及微观性能如配位数(CN)、径向分布函数(RDF)、角分布函数(ADF)、力的网络结构(Force network)及其分布与传递进行了表征，这是DEM动力学模型模拟优于其它基于几何的数值模型如蒙特卡罗(MC)模拟的一大亮点。同时，针对粉体粒子在压力作用下的成形过程，采用有限元(FEM)方法进行了数值模拟，并对结果进行了分析。依托于本项目，项目组成员已发表英文SCI(已接收)论文三篇，中文核心期刊论文一篇，另有五篇英文SCI论文正在发表；申请国家发明专利三项；参加国际会议四次，国内会议两次；赴澳大利亚新南威尔士大学进行学术访问一次；多次邀请国外专家学者对项目执行人所在单位进行学术访问，并作学术报告；协助举办国际会议一次；指导硕士研究生五名(其中三名已毕业)，协助指导博士研究生两名，指导八名本科生进行毕业设计(其中六名已毕业)；推荐五名学生到国家高水平大学攻读博士学位，其中四名同学获得国外大学提供的全额奖学金。开设本科生纯英文教学课一门，名为“Powder Technology in Iron and Steel Making”；同时计划于2013年3-6月对澳大利亚新南威尔士大学材科学与工程学院颗粒系