本文摘要：摘要隨著綜合性能優(yōu)秀、形狀復(fù)雜的粉末冶金零部件的量產(chǎn)化，為了更大程度的降低成本、提高質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在粉末冶金領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文介紹了目前在粉末冶金領(lǐng)域應(yīng)用較多的幾種仿真軟件Abaqus、Deform、Ansys、Comsol、MSC.Marc
摘要隨著綜合性能優(yōu)秀、形狀復(fù)雜的粉末冶金零部件的量產(chǎn)化，為了更大程度的降低成本、提高質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在粉末冶金領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文介紹了目前在粉末冶金領(lǐng)域應(yīng)用較多的幾種仿真軟件Abaqus、Deform、Ansys、Comsol、MSC.Marc，列舉了幾種軟件的實(shí)際應(yīng)用，比較了幾種仿真軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中仿真軟件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)今后計(jì)算機(jī)仿真軟件在粉末冶金領(lǐng)域的發(fā)展提出了建議和展望。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真;粉末冶金;數(shù)值模擬;研究進(jìn)展
粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，混合添加劑后填充模具，經(jīng)過(guò)壓制成形、燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類(lèi)型制品的工藝過(guò)程[1–2]。隨著粉末冶金技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，粉末冶金在國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了極其重要的作用，為人類(lèi)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了極大貢獻(xiàn)[3]。
冶金論文范例： 冶金工程的機(jī)械設(shè)備安全管理及其發(fā)展
粉末冶金產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、電子信息設(shè)備、核工業(yè)、半導(dǎo)體照明、高溫高壓裝備、醫(yī)療以及家電等領(lǐng)域，具有其他加工方法不可替代的優(yōu)點(diǎn)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工業(yè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)仿真可以用來(lái)構(gòu)建、模擬和分析各種類(lèi)型的復(fù)雜幾何元件，包括性質(zhì)不均勻的材料以及不同類(lèi)型組合構(gòu)建的元件，可以方便快捷地解決許多物理場(chǎng)問(wèn)題[3]。
計(jì)算機(jī)仿真可以不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少材料的消耗，降低前期的設(shè)計(jì)成本，縮短從前期設(shè)計(jì)到后期產(chǎn)品性能驗(yàn)證的循環(huán)周期，還可以在制造或工程施工前提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的問(wèn)題。本文對(duì)目前在粉末冶金領(lǐng)域使用較為普遍的幾種計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行介紹和分析比較，指出了每種軟件的特色和應(yīng)用領(lǐng)域。
1 粉末冶金過(guò)程數(shù)值模擬軟件介紹及選擇
數(shù)值模擬已成為與實(shí)驗(yàn)技術(shù)并行發(fā)展的科學(xué)研究方法，在粉末冶金領(lǐng)域也不例外。目前發(fā)展成熟、應(yīng)用率較高的數(shù)值模擬軟件有Ansys、Abaqus、Deform、MSC.Marc以及Comsol等，這些軟件在粉末冶金領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，取得了非常好的效果。上述每種軟件都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，為了保證數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和高效性，選擇適合實(shí)驗(yàn)過(guò)程的仿真軟件至關(guān)重要[4]，下面按照粉末冶金工藝過(guò)程(制粉、混粉、壓制、燒結(jié)、性能分析與預(yù)測(cè))對(duì)各個(gè)軟件做介紹和分析。
1.1 Ansys軟件
Ansys是國(guó)際知名的工程CAE軟件，發(fā)展時(shí)間久，軟件成熟度高，主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)并行計(jì)算功能強(qiáng)大;(2)網(wǎng)格劃分能力強(qiáng)大;(3)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受外力負(fù)載后的狀態(tài)等問(wèn)題的分析側(cè)重于具有溫度場(chǎng)和熱交換過(guò)程的模擬;(4)用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境良好[5]。但是，Ansys軟件在處理接觸性和非線性問(wèn)題上較弱。目前，Ansys軟件在霧化制粉、溫壓、燒結(jié)、熱處理等工藝過(guò)程中使用較多。
歐陽(yáng)鴻武等[6]用Ansys軟件建立了霧化噴嘴的二維結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，研究不同霧化參數(shù)下霧化流場(chǎng)的數(shù)值模擬。夏敏等[7]用Ansys的Fluent流體力學(xué)模塊對(duì)電極感應(yīng)熔化氣霧化(electrodeinductionmeltinggasatomization，EIGA)噴嘴的主霧化與二次霧化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。該研究實(shí)現(xiàn)了霧化過(guò)程的全過(guò)程模擬，在設(shè)定與實(shí)驗(yàn)條件一樣的初始條件下，預(yù)測(cè)大部分粉末顆粒直徑在100μm左右，該模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。
1.2 Abaqus軟件
Abaqus是國(guó)際上最先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件之一，是美國(guó)Abaqus公司(原Hibbitt,Karlsson&Sorensen,Inc)的產(chǎn)品。它具有廣泛的模擬性能，優(yōu)秀的非線性分析能力，在機(jī)械、材料、航空、船舶、冶金、汽車(chē)、電氣工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。Abaqus軟件自身?yè)碛胸S富的材料模型庫(kù)和成熟的塑性理論，可以分析非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和高度非線性問(wèn)題。
Abaqus軟件包括Mohr-Coulomb模型、Cam-Clay模型、擴(kuò)展的Drucker-Prager模型以及修正的Drucker-Pragercap模型等，針對(duì)金屬粉末壓制問(wèn)題具有很好的效果。Abaqus還具備二次開(kāi)發(fā)功能，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自身定制的二次開(kāi)發(fā)。Zhou等[8]基于Abaqus軟件的Drucker-Pragercap模型對(duì)粉末冶金生坯圓盤(pán)件進(jìn)行壓實(shí)過(guò)程三維有限元模擬�；贏baqus中修正的Drucker-Pragerrcap模型，采用彈塑性三維有限元方法進(jìn)行了金屬粉末壓實(shí)過(guò)程模擬和殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)。
通過(guò)典型的粉體力學(xué)性能試驗(yàn)，確定了粉末DistaloyAE模型參數(shù)與相對(duì)密度的函數(shù)關(guān)系。對(duì)DistaloyAEϕ20mm×5mm圓盤(pán)坯的單面壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用有限元方法對(duì)圓盤(pán)坯頂出后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。鄧正華等[9]采用逆向設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了低速重載軸承用材料，利用Abaqus軟件建立滑動(dòng)軸承和軸配合的三維分析模型，并進(jìn)行有限元受力分析，得出了低速重載滑動(dòng)軸承服役所需的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
通過(guò)對(duì)各種可用材料進(jìn)行比較和篩選，最終確定采用粉末冶金法制備Cu12Al6Ni5Fe銅基合金作為低速重載軸承材料。Lee等[10]采用計(jì)算機(jī)斷層掃描(computedtomography，CT)檢測(cè)了Ti樣品的多孔結(jié)構(gòu)，首先通過(guò)斷層掃描儀獲得若干幅多孔材料的二維斷面圖，然后將一系列二維斷面圖利用圖像處理軟件構(gòu)建出三維模型，構(gòu)建的三維模型能夠很好地反映實(shí)際孔隙結(jié)構(gòu);隨后，將計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)果在Abaqus軟件中用于有限元模擬，分析多孔Ti的力學(xué)行為。與傳統(tǒng)建模中立方體單胞模型相比，Abaqus的斷層掃描模型的有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更吻合。
1.3 Deform軟件
Deform是一款具有較強(qiáng)變形分析能力的有限元軟件，針對(duì)金屬塑性成形設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，用于分析金屬成形及其相關(guān)的各種成形工藝和熱處理工藝。在粉末冶金領(lǐng)域，由于其具有優(yōu)異的成形分析性能，在粉末壓制、鍛造和滾壓致密化工藝中應(yīng)用廣泛。Deform有著卓越的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，通過(guò)有限元分析獲得粉末成形過(guò)程中粉末流動(dòng)、溫度分布、成形壓力、應(yīng)力應(yīng)變及裂紋等信息，通過(guò)對(duì)材料力學(xué)性能的分析，優(yōu)化成形模具和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，有助于縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研究周期。而且，Deform還可以通過(guò)劃分細(xì)密的網(wǎng)格，降低運(yùn)算規(guī)模，顯著提高計(jì)算效率，具有更高的精確性。
楊棟林等[11]采用Deform–3D有限元模擬軟件對(duì)純鉬坯體多向鍛造進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合鍛造實(shí)驗(yàn)，研究了變形溫度、鍛造壓下量及鍛造工步等對(duì)鍛件等效應(yīng)變及其均勻性分布的影響，分析了經(jīng)歷不同鍛造工步鍛件的等效應(yīng)變和相對(duì)密度分布的演化過(guò)程，優(yōu)選出了反復(fù)拔長(zhǎng)–鐓粗的鍛造工藝。楊兆偉等[12]使用Deform–3D仿真軟件對(duì)連桿鍛造過(guò)程進(jìn)行了有限元分析研究，對(duì)連桿毛坯和終鍛的上、下模具進(jìn)行三維造型，調(diào)入Deform–3D進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后進(jìn)行終鍛過(guò)程的數(shù)值模擬。對(duì)產(chǎn)品成形過(guò)程中的模具填充面、應(yīng)力應(yīng)變分布、載荷計(jì)算以及材料流動(dòng)速度做了深入分析研究，使用數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)連桿毛坯的設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)。
在其研究中，使用Deform對(duì)比分析了三種不同初始毛坯在連桿鍛壓成形過(guò)程中的材料配比和粉末流動(dòng)情況，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用初始毛坯三是最優(yōu)的。Deform軟件具有強(qiáng)大的成形過(guò)程分析能力，而且計(jì)算效率高、界面友好、操作簡(jiǎn)單便捷，特別適合應(yīng)用在粉末壓制成形、滾壓致密化等成形過(guò)程中，但對(duì)于靜力分析、結(jié)構(gòu)性力學(xué)分析稍有不足。Deform軟件無(wú)法仿真多孔體的蠕變行為，蠕變分析只針對(duì)彈塑性體模型有效;如果粉末體是松散狀態(tài)，也不能用該軟件進(jìn)行壓制模擬。
1.4 MSC.Marc軟件
MSC.Marc是一款高級(jí)的非線性有限元軟件，各項(xiàng)功能齊全，具有適用于粉末材料的模型。MSC.Marc具有強(qiáng)大的非線性結(jié)構(gòu)分析能力，可以處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析，比如壓制分析和結(jié)構(gòu)分析。針對(duì)粉末材料，MSC.Marc在Mises屈服準(zhǔn)則上專(zhuān)門(mén)特制適用粉末冶金材料的ShimaOyane準(zhǔn)則。對(duì)于粉末材料的黏性和塑性行為，MSC.Marc不僅可以同時(shí)分析，也可單獨(dú)分析材料的蠕變或塑性變形[13]。
MSC.Marc軟件開(kāi)發(fā)的Powder模塊非常適用于粉末壓制和燒結(jié)過(guò)程中材料的塑性變形模擬，深受科研人員歡迎。毛華杰和沈小燕[14]利用MSC.Marc有限元軟件的Shima-Oyane材料本構(gòu)模型比較真實(shí)地模擬粉末冶金燒結(jié)材料的塑性變形過(guò)程。通過(guò)建立的MSC.Marc有限元模型，對(duì)不同工藝參數(shù)，如進(jìn)給量、滾壓轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)等，對(duì)相對(duì)密度分布的影響進(jìn)行了比較分析，研究得到表面滾壓可以有效提高粉末冶金制品的表面密度，而保持芯部的密度級(jí)別不變。
在實(shí)際工藝設(shè)計(jì)中可適當(dāng)增大進(jìn)給量、滾壓轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)，以達(dá)到粉末冶金件表面致密強(qiáng)化的最佳效果。張京[15]通過(guò)研究粉末成形理論，以大變性彈塑性有限元理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用MSC.Marc有限元軟件建立了粉末仿真數(shù)學(xué)模型，研究了WC–Co粉末壓坯的密度分布、應(yīng)力分布、形狀尺寸等不同壓制參數(shù)的變化以及粉末流動(dòng)情況，并對(duì)各種壓制參數(shù)下壓坯密度分布的差異進(jìn)行了分析，研究得到密度均勻性是衡量其質(zhì)量是否合格的重要指標(biāo)，驗(yàn)證了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)壓制工藝參數(shù)的確定提供依據(jù)。
2 其他粉末成形數(shù)值模擬軟件以及軟件選擇
除了市場(chǎng)上各主流有限元分析軟件Ansys、Abaqus、Deform、MSC.Marc及Comsol以外，顆粒力學(xué)仿真軟件EDEM等軟件也在粉末冶金領(lǐng)域有突出的表現(xiàn)。該軟件把介質(zhì)看作離散的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的粒子所組成，通過(guò)軟件仿真、分析和觀察粒子流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[20]。EDEM軟件可以記錄每個(gè)粉末顆粒的具體信息，如質(zhì)量、溫度和速度等，可以分析每個(gè)顆粒上的作用力，利用EDEM軟件可以解決物體的混合和分離、顆粒的損傷和磨損等諸多問(wèn)題，分析粉體填充密度、壓坯壓制力和內(nèi)應(yīng)力。
同時(shí)，EDEM還提供了非常強(qiáng)大的后處理功能[21]。趙艷波等[22]利用EDEM軟件模擬純鐵粉體在模腔內(nèi)的振動(dòng)狀態(tài)，研究了振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度等工藝參數(shù)對(duì)粉體振動(dòng)填充密度的影響，確定出最佳工藝參數(shù)，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。劉義倫等[23]通過(guò)EDEM軟件建立模壓成形過(guò)程的離散元模型，分析不同壓制速度和摩擦系數(shù)對(duì)壓坯壓制力和壓坯內(nèi)應(yīng)力的影響，為優(yōu)化釹鐵硼成形工藝提供理論參考。
目前有多種數(shù)值模擬商業(yè)軟件，如Abaqus、Deform、Ansys、Comsol以及MSC.Marc等，都已在粉末冶金領(lǐng)域有所應(yīng)用。但是，目前市場(chǎng)上存在的各主流分析軟件都有各自的側(cè)重點(diǎn)，選擇適合的有限元模擬軟件的至關(guān)重要。Abaqus軟件具有豐富的材料模型庫(kù)，其中，擴(kuò)展的Drucker-Prager模型等能很好地分析金屬粉末的塑性問(wèn)題，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)等非線性問(wèn)題分析方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì);同時(shí)，在處理接觸問(wèn)題和網(wǎng)格劃分便利度等方面也具有強(qiáng)大的處理能力。
但是，Abaqus軟件在操作性和粉末壓制適用度方面表現(xiàn)較弱。Deform軟件具有較強(qiáng)的變形分析能力，適用于金屬成形過(guò)程分析。但是Deform軟件自帶的屈服條件較少，只有3種，當(dāng)針對(duì)各向同性的材料進(jìn)行分析時(shí)，Deform的Mises屈服準(zhǔn)則于粉末材料不適用。
Deform軟件無(wú)法仿真多孔體的蠕變行為，而且，如果粉末體是松散狀態(tài)，也不能用該軟件進(jìn)行壓制模擬。MSC.Marc軟件根據(jù)粉末冶金的成形特性和屈服準(zhǔn)則，開(kāi)發(fā)了針對(duì)粉末冶金成形過(guò)程的模塊，適用于粉末材料壓制、整形和滾壓致密化等非線性模擬分析，其內(nèi)置的Shima模型也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，在操作性和粉末壓制適用度方面有較好的表現(xiàn)。Ansys軟件具有強(qiáng)大的并行計(jì)算功能，強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力和良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，適用于溫度場(chǎng)、燒結(jié)、熱交換過(guò)程的模擬，但是在處理接觸性和非線性問(wèn)題上較弱。
3 結(jié)論
近年來(lái)，高性能、多功能、高強(qiáng)度、復(fù)雜形狀的粉末成形零部件的批量生產(chǎn)在快速發(fā)展，粉末制品的形狀尺寸越來(lái)越復(fù)雜且力學(xué)性能指標(biāo)越來(lái)越高，為了更大程度地降低成本、提高質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在金屬粉末成形中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。目前在粉末冶金領(lǐng)域應(yīng)用較多的軟件有Ansys、Abaqus、Deform、Comsol和MSC.Marc，這些軟件都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足之處。合理選取粉末各工藝過(guò)程中的物理參數(shù)、流動(dòng)法則、控制方程、硬化模型，對(duì)提高本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和軟件預(yù)測(cè)能力至關(guān)重要。
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作者：李 靜
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