粉末高速压制成形的格子Boltzmann跨尺度模拟及应用研究

高速压制成形（HVC）是粉末冶金工业寻求低成本高密度材料加工技术的一次新突破，因具有压制速度快、压坯密度高等特点而被高度关注。目前HVC的研究主要是实验研究和理论分析，由于忽略金属粉体具有对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组织行为等跨尺度特性，而无法探究HVC中粉体及其复杂体系的流动与成形规律，不能分析缺陷形成的不确定性机理。本项目基于分子动理论和守恒定律，从微观到宏观分析HVC中能量传递、转换和耗散等特性，用格子Boltzmann方法建立更准确描述HVC过程的数学模型；研究粉末的物性表征参数、模型边界条件和数值解法，实现HVC过程的跨尺度数值模拟。通过数值模拟与实验研究对比分析，研究HVC过程粉体的流变与致密化机制，分析工艺参数的微小变化对粉末流动的影响，探索成形坯缺陷的产生与演化规律。项目的研究对优化工艺参数、稳定产品质量，实现HVC高效成形技术智能化具有重要的理论意义和实用价值。

由于粉末HVC实验研究和理论分析中忽略金属粉体对外界微小作用的敏感性等跨尺度特性，而无法探究HVC中粉体的流动成形规律和缺陷形成的不确定性机理。本项目基于分子动理论和物理守恒定律，分析HVC及致密化过程中粉末流动的跨尺度变化规律，将格子Boltzmann方法应用于HVC过程的跨尺度数值模拟研究；用数值和实验方法测定HVC常用粉末颗粒边界、表面、形状的分形参数，分析粉体对外界微小作用非线性响应与其复杂结构的关系；将分数阶微积分应用于HVC粉体颗粒流动与流变学行为的研究，分析HVC及致密化过程中粉末的流动特征与成形机理，构建了HVC粉末的本构关系模型，建立了HVC过程的分数阶本构方程。将传统界面追踪方法与格子Boltzmann模型相结合，用固定网格等分HVC模腔中粉末初始填充区域，采用D2Q13多速度可压缩格子Boltzmann模型和分布函数演化方程的LBGK格式描述粉末颗粒在网格上进行的碰撞和流动，建立了粉末HVC过程的多速度可压缩格子Boltzmann二维模型。用HVC工艺特征确定模型的定解条件，对有限差分、有限元格子Boltzmann方法等进行研究，给出HVC过程格子Boltzmann模型的数值解法，实现了HVC过程的跨尺度数值模拟，并将格子Boltzmann方法应用于几类典型偏微分方程的数值求解研究；基于应力波传播原理建立HVC过程的应力波传播模型，用特征线方法对其进行数值求解。用格子Boltzmann方法分别对圆柱体模具和单台阶圆柱体模具的HVC二维流动进行了跨尺度数值模拟，分析了在应力波反复作用下HVC压坯密度的分布规律，数值模拟结果与实验结果吻合；对HVC过程进行数值实验，分析压坯缺陷的产生和演化规律，结果表明长径比大时压坯中间会形成低密度窄带导致密度分层或断层，从而科学地解释了实验现象。此外，基于BP神经网络研究了粉末注射成形工艺参数的智能优化与控制方法，对分数阶微分方程的有限差分、有限元、谱方法等数值算法进行深入研究；为HVC分数阶本构方程、HVC分数阶微分方程模型的数值求解奠定了理论基础。项目研究发表论文26篇,其中13篇SCI、5篇EI，培养毕业博士4人、毕业硕士9人，达到预期研究目标，为分析HVC过程应力波的传递与作用机制、粉体的流变与成形机理、优化工艺参数等提供了科学依据和有用信息，对实现HVC成形技术智能化具有重要理论意义和实际应用价值。