基于物质点法爆炸压实成型的数值模拟

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爆炸压实是利用外界给与的冲击波将粉末材料压实成致密的性能良好的坯料,是一种被认为拥有巨大发展潜力的新型成型工艺,它的优点在于能有效减少甚至消除中间化合物的产生以及在成型工序很简单的情况下还能使材料保持良好的性能,在发动机叶片、航天飞机和军工器材等领域得到了广泛的应用。爆炸压实的材料对象是经过预压的粉末多孔体材料,整个过程具有强瞬时性、强非线性和强耦合性,所以采用有限元和欧拉等传统数值方法在进行数值模拟存在着许多不足。物质点法是一种新型的无网格质点方法,它避免了有限元网格法和欧拉无网格法的缺点,结合了他们的优点,是研究大变形问题的一种很有潜力的数值模拟方法。采用物质点法可以比较好的解决在冲击载荷下多孔体的动态响应以及瞬时性的大变形问题。本文采用物质点法对爆炸压实过程进行数值模拟,在验证物质点法模拟弹塑性材料模型的钢粉颗粒压实实例准确性的基础上,进一步深入研究爆炸压实各个参数对其的影响规律。利用加权余量法推导物质点法控制方程的弱形式及其离散格式。分析比较物质点法中采用的三种应力更新格式。建立模拟爆炸压实问题的物质点法求解格式。给出物质点法显式程序的具体实现过程。确定了爆炸压实材料使用的材料模型和状态方程。利用FORTRAN语言编写了模拟三维爆炸压实成型问题的物质点法程序,并对其过程进行数值模拟,将模拟结果与文献中ABAQUS软件所得的结果进行对比,吻合良好。在验证物质点法模拟弹塑性材料模型的钢粉颗粒压实实例准确性的基础上,进一步深入研究爆炸压实不同模型和参数对其成型过程的影响规律。建立了不同的压实模型来研究爆炸压实成型的规律。通过两球正碰撞的数值模拟,观察到在两球接触面发生微爆炸焊接的现象;通过三球碰撞的数值模拟,分别研究了正三角孔隙和倒三角孔隙两种情况下不同压实速度、不同摩擦系数、不同颗粒大小以及不同材料模型的颗粒孔隙闭合影响规律。确定了两种情况下三球模型颗粒固结的方式,也得出了各个参数对孔隙闭合的影响规律;最后建立了多孔隙多接触的七颗粒模型,通过分析不同颗粒形状、不同压实速度和不同摩擦系数对爆炸压实的影响,得出了适合爆炸压实成型工艺的参数数值。本文的研究为爆炸压实成型工艺的数值模拟研究提供了新的方法和思路,也为其它大变形成型工艺的数值模拟提供了参考。
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