[发明专利]一种基于颗粒接触的粉末烧结成颈过程离散元建模方法

说明书

本发明公开了一种基于颗粒接触的粉末烧结成颈过程离散元建模方法，包括如下步骤：获取粉末材料的物理参数；在离散元软件中生成颗粒并建立接触模型；施加温度场；基于颗粒接触及温度的颈区条件判别；满足条件时缩小原颗粒并生成颈区小颗粒；更新接触模型及其参数；实现“相似性”参数匹配；完成建模。本发明所提供的方法简单可行，既可表征烧结颈生成过程中粉末由粉体到块体结块的物理现象，又能通过更新仿真参数来研究粉末烧结的成颈机理。

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，特别是涉及粉末材料加工领域，比如3D打印中的粉末烧结，具体涉及一种基于颗粒接触的粉末烧结成颈过程离散元建模方法。

技术背景

粉末烧结是工业上的重要技术手段，粉末烧结过程中涉及的问题十分复杂，关于这一方面的理论研究一直是技术难题，特别对于粉末经烧结后形成烧结颈(成颈)阶段，尚未出现对于这一阶段数值模拟的建模方法，这也成为了粉末材料加工研究的热点与难题。

粉末烧结过程中烧结颈形成阶段的数值模拟的存在主要难题有以下两个：1、一般的建模方法中无法在计算过程中形成烧结颈区。2、一般的建模方法中无法实现粉末烧结中粉末颗粒由无粘结演变为有粘结的变化过程。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种基于颗粒接触的粉末烧结成颈过程离散元建模方法，该方法简单可行，既可表征烧结颈生成过程中粉末由粉体到块体结块的物理现象，又能通过更新模拟参数来研究粉末烧结的成颈机理。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于颗粒接触的粉末烧结成颈过程离散元建模方法，包括以下步骤：

(1)获取粉末材料的物理参数；

(2)基于步骤1获取的所述粉末材料的物理参数，在离散元软件中建立无粘结接触力学模型，设置模型参数；

(3)基于步骤2建立的计算模型，施加温度场；

(4)基于上一步骤的计算模型，执行生成颈区的判别条件，该条件为模型中的颗粒是否接触且相互接触颗粒的温度值是否同时达到熔点；

(5)基于上一步骤的计算模型，对于符合条件的接触大颗粒，基于质量守恒定律，缩小接触大颗粒的粒径，同时在接触颈部位置的两侧分别生成一个新的颈区小颗粒；质量守恒定律具体如下：当满足生成颈区的判别条件后，为保证所有颗粒的总面积和不变，总面积和2维模拟时采用面积，3维模拟时采用体积，接触大颗粒半径与颈区小颗粒半径有如下关系：

式中，n₀表示满足生成颈区判别条件的大颗粒数量，n_c表示满足生成颈区判别条件的大颗粒之间的接触数量，r表示接触大颗粒的半径，R表示生成颈区小颗粒的半径，a表示缩小因子；

(6)基于上一步骤的计算模型，对于符合条件的颗粒、接触大颗粒及生成的颈区颈区小颗粒的接触力学模型由无粘结接触力学模型更新为有粘结接触力学模型，实现颗粒的粘结(烧结)；

(7)基于上一步骤的计算模型，匹配接触模型更改前后的力学参数及热学参数，实现接触模型更改前后的“力学相似”及“热传导相似”；

(8)模型建立完毕，实现了粉末烧结过程中成颈的建模。

上述的一种基于颗粒接触的粉末烧结成颈过程离散元建模方法，步骤4中提到的执行生成颈区的判别条件，其具体分为两个条件：a、任意两个颗粒是否接触；b、任意两个颗粒的温度值是否同时达到熔点；模型中任意两个颗粒同时满足上述两个条件即可生成新的颈区小颗粒。

上述的一种基于颗粒接触的粉末烧结成颈过程离散元建模方法，步骤5中提到的接触颈部位置的两侧分别生成一个新的颈区小颗粒，其具体为新生成的两个颈区小颗粒与接触大颗粒相外切。