Микромеханическая модель представительного объема порошковых материалов
Автор: Иванов Василий Александрович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Порошковая металлургия, композиционные материалы и покрытия
Статья в выпуске: 3 т.21, 2021 года.
Бесплатный доступ
В статье представлены результаты компьютерного моделирования поведения представительного объема порошкового материала на начальных стадиях уплотнения при одноосном сжатии и результаты натурных экспериментов по прессованию порошковых материалов. Модель представительного объема - это 640 сферических частиц двух разных диаметров (2 мм - 427 шт.; 1,4 мм - 213 шт.), разбитых на конечные элементы и вброшенных под действием силы тяжести в кубический объем с жесткими стенками. Подвижная верхняя стенка оказывает давление на начальную укладку частиц. Компьютерное моделирование выполнялось с применением параллельного пакета LS-DYNA. Натурные эксперименты проведены на башенном копре Instron CEAST 9350 в пресс-форме одностороннего прессования диаметром 10 мм. Для экспериментальных исследований использовался порошок на основе искусственного графита ГИИ-А ТУ 1916-109-071-2009, частицы менее 315 мкм, с добавлением фенолформальдегидной смолы марки СФП-011А, а также порошок медный электролитический марки ПМС-1 ГОСТ 4960-2009 размером частиц менее 80 мкм. Скорость нагружения в компьютерном моделировании и натурном эксперименте принята - 2 м/с. Компьютерная модель представительного объема показала высокую повторяемость результатов при случайных изменениях в начальной укладке частиц, что позволяет в дальнейшем использовать одну случайную укладку для моделирования различных условий нагружения. Влияние внешнего и внутреннего трения при уплотнении порошкового материала имеет качественное совпадение с известными из литературы данными. Построенная модель позволяет получать однородное деформированное состояние представительного объема путем исключения внешнего трения. При сравнении результатов моделирования с экспериментом получено качественное совпадение, а количественные расхождения хорошо объясняются принятыми при моделировании допущениями и упрощениями, а также отличием в начальных условиях. Построенная модель представительного объема может быть использована при исследовании механического поведения порошковых материалов на начальных стадиях уплотнения.
Порошковые материалы, представительный объем, многочастичный метод конечных элементов, ls-dyna, уплотнение, прессование
Короткий адрес: https://sciup.org/147235292
IDR: 147235292 | DOI: 10.14529/met210308
Список литературы Микромеханическая модель представительного объема порошковых материалов
- Берент, В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта / В.Я. Берент. – М.: Интекст, 2005. – 408 с.
- Мышкин, Н.К. Электрические контакты / Н.К. Мышкин, В.В. Кончиц, М. Браунович. – Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2008. – 560 с.
- Гершман, И.С. Разработка износостойких материалов с помощью методов неравновесной термодинамики на примере скользящих электрических контактов: дис. … д-ра техн. наук: 05.02.01, 05.02.04 / Гершман Иосиф Сергеевич; ФГУП «ВНИИЖТ». – М., 2006. – 234 с.
- Powder processing methodology for fabrication of Copper / Graphite composite materials with enhanced thermal properties / A. Morvan, J.-L. Grosseau-Poussard, N. Caillault et al. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2019. – Vol. 124, статья № 105474. – P. 1–9. DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.105474
- Фиалков, А.С. Процессы и аппараты производства порошковых углеграфитовых материалов / А.С. Фиалков. – М.: Аспект Пресс, 2008 – 687 с.
- Новые высокопрочные углеродные материалы для традиционных технологий / В.И. Костиков, В.М. Самойлов, Н.Ю. Бейлина, Б.Г. Остронов // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). – 2004. – Т. XLVIII, № 5. – С. 64–75.
- Selig, S.G. A review of finite element simulations of metal powder die compaction / S.G. Selig, D.A. Doman // Journal of Machinery Manufacturing and Automation. – 2014. – Vol. 3 (2). – P. 32–40.
- Orban, Y.A. Study of methods for simulating multiphase construction materials / Y.A. Orban, D.L. Manea, C. Aciu // Procedia Manufacturing. – 2018. – Vol. 22. – P. 256–261. DOI: 10.1016/j.promfg.2018.03.039
- Болтачев, Г.Ш. Моделирование процесса компактирования нанопорошков в рамках гранулярной динамики / Г.Ш. Болтачев, Н.Б. Волков // Журнал технической физики. – 2011. – Т. 81, № 7. – С. 18–29.
- Mayer, A.E. Plastic deformation at dynamic compaction of aluminum nanopowder: Molecular dynamics simulations and mechanical model / Alexander E. Mayer, Andrej A. Ebel, Mohammad K.A. Al-Sandoqachi // International Journal of Plasticity, 2020. – Vol. 124. – P. 22–41. DOI: 10.1016/j.ijplas.2019.08.005
- Munjiza, A.A. The combined finite-discrete element method / A.A. Munjiza. – UK, London: John Wiley & Sons Ltd, 2004. – 350 p. DOI: 10.1002/0470020180
- Procopio, A.T. On the compaction of granular media using a multi-particle finite element model. Tesis of papers PhD / A.T. Procopio. – Drexel, USA: Drexel University, 2006. – 172 p.
- CFD-DEM simulations of densification of tetrahedron particles under air impact / Dazhao Gou, Xizhong An, Bo Zhao, Runyu Yang // Powder Technology, 2020. – Vol. 361. – P. 220–225. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.08.085
- Лаптев, А.М. Расчет силовых характеристик процесса уплотнения сферических порошков / А.М. Лаптев, С.В. Подлесный // Порошковая металлургия. – 1985. – № 12. – С. 11–17.
- Цеменко, В.Н. Деформирование порошковых сред / В.Н. Цеменко. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. – 104 с.
- Березин, И.М. Определение условий пластического течения некомпактных материалов / И.М. Березин, А.Г. Залазинский // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-1. – С. 19–20.
- Максименко, Л.А. Моделирование деформационного упрочнения пористых и порошковых материалов в процессах прессования / Л.А. Макименко // Порошковая металлургия. – 2014. – № 11–12. – С. 3–14.
- Моделирование процессов компактирования титановых композитов из порошкообразного сырья / Д.И. Крючков, А.Г. Залазинский, И.М. Березин, О.В. Романова // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – № 1. – С. 48–60.
- Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред: в 2 ч. / Р.И. Нигматулин. – М.: Наука, 1987.
- Самойлов, В.М. Получение тонкодисперсных углеродных наполнителей и разработка технологии производства тонкозернистых графитов на их основе: дис. … д-ра техн. наук: 05.17.11 / Самойлов Владимир Маркович; ФГУП «НИИГРАФИТ». – М., 2006. – 371 с.
- Полухин, П.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: справ. / П.И. Полухин, Г.Я. Гун, А.М. Галкин. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1983 – 352 с.
- Дягтерев, И.С. Диссипация мощности и кинематические соотношения на поверхности разрыва скоростей в сжимаемом жестко-пластическом материале / И.С. Дегтярев, В.Л. Колмогоров // Журнал прикладной механики и теоретической физики. – 1972. – № 5. – С. 167–173.
- Чернявский, А.О. Прочность графитовых материалов и конструкций при малоцикловом нагружении: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 01.02.06 / А.О. Чернявский; ЮУрГУ. – Челябинск, 1997. – 27 с.
- Проблемы дегазации порошковой насыпки при прессовании в пресс-формах с жесткими стенками / В.А. Иванов, Б.А. Яров, А.В. Лепихов, К.Г. Мовчан // Наука ЮУрГУ. Секции технических наук: материалы 66-й науч. конф. / отв. за вып. С.Д. Ваулин. – Челябинск: Издат. Центр ЮУрГУ, 2014. – С. 824–831.
