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 | УДК: 621.7.014.2 | DOI: 10.14529/met210308
Micromechanical model of representative volume of powders material
The paper presents the results of computer simulation and experiments in early stage densification of powder materials representative volume under one-axis compression and the results of powders one side pressing experiments. Representative volume model is 640 spherical particles two deferent diameter (2 mm - 427 pcs; 1.4 mm - 213 pcs) that are thrown by gravity into cubic box with rigid walls. Moving upper wall applies pressure to initial particle packaging. Computer simulations of representative volume were released by using a parallel package LS-DYNA. Experiments were carried out on an droptower impact systems Instron CEAST 9350 in a one-sided pressing mold with an inner diameter of 10 mm. For the experiment, we used powders based on GII-A TU 1916-109-071-2009 graphite, particles less than 315 microns, with the addition of SFP-011A phenol-formaldehyde resin and PMS-1 GOST 4960-2009 copper powder, particles less than 80 microns. Loadind velocity in computer simulation and experiments was 2 m/s. Developed computer model was demonstrated the high stability results for a random change of initial particle packaging. It makes possibility of modeling different loading schemes of representative volume with only one initial particle packaging. The influence internal and external friction on densfication of representative volume was showed a qualitative agreement with the early known data. The model allows realizing a uniform stress state by exclude external friction. The computer model has a good qualitative agreement with the experimental data, and quantitative discrepancies are explained by pleasant assumptions and differences in the initial conditions. Presented micromechanical model of representative volume of powders material can be used in research mechanical behavior powders in early stage densification.
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.
