(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111545731.0 (22)申请日 2021.12.15 (71)申请人 合肥工业大 学 地址 230009 安徽省合肥市屯溪路193号 (72)发明人 周剑　徐宏坤　祝宸宇　刘焜　 (74)专利代理 机构 合肥九道和专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 34154 专利代理师 胡发丁 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) B22F 3/02(2006.01) G06F 119/14(2020.01) C22C 1/04(2006.01) (54)发明名称 一种预测金属粉末高速压制成形性能的三 维多颗粒有限元仿真方法 (57)摘要 本发明涉及一种预测金属粉末高速压制成 形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 包括如下 步骤： 利用离散元软件生 成三维球形颗粒的初始 随机堆积模 型， 并提取球形颗粒中心坐标和对应 直径数据； 在有限元软件Abaqus中运行pyt hon脚 本程序， 自动完成不同直径球形颗粒部件建模， 并生成装配体； 设置颗粒的材料属性； 对每个粉 末颗粒部件自动划分数量合理的六面体结构网 格； 设置显示动力学分析步； 设置边界条件； 自动 设置金属粉末球与球以及球与模具边壁的接触 属性和接触对； 求解计算及后处理。 本发明自动 完成了多颗粒部件的生成和装配、 网格划分和接 触设置等大量复杂繁琐的有限元建模工作， 极大 地提高了建模效率并保证了建模的正确性， 全面 分析了粉末 压制的微观力学特性， 准确建立了压 坯密度与单位质量冲击能量的定量关系， 从而达 到预测金属粉末高速 压制性能的目的。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 114492100 A 2022.05.13 CN 114492100 A 1.一种预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于， 包括如下操作步骤： S10： 利用离散元软件生成三维球形颗粒的初始随机堆积模型， 并提取球形颗粒中心坐 标和对应直径数据； S20： 在有限元软件Abaqus中运行python脚本程序， 自动生成粉末颗粒部件， 并完成部 件装配； S30： 设置材 料属性， 重点 考虑金属粉末材 料的大变形塑性力学模型； S40： 对每 个粉末颗粒部件自动划分数量 合理的六面体结构网格； S50： 设置显示动力学分析步， 采用质量 放缩方案， 用于加快模型计算速度； S60： 自动设置金属粉末球与球以及球与模具边 壁的接触属性和接触对； S70： 设置边界条件； S80： 求解计算及后处理， 全面分析并表征金属粉末的高速压制性能， 建立压坯密度与 单位质量冲击能量的定量关系。 2.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S10中， 在颗粒生 成命令中加入 “高斯”关键词， 并设置直径范围， 从而使随 机生成的球形颗粒直径分布接近高斯函数， 与实际相匹配； 采用重力沉积方法， 迭代至系统 能量波动小于 5％， 获取初始颗粒堆积模型。 3.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S20中， 根据步骤S10中获取的各球形颗粒中心 坐标和直径的数据， 通过在 有限元软件Abaqus中运行python脚本 反复调用生成球的函数， 在指定坐标位置生 成相应直 径大小的球形颗粒部件， 构建粉末颗粒三维分布几何模型。 4.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S30中， 通过Johnson ‑Cook方程描述金属粉末的大变形塑性流动应力以及 受应变速率的影响。 5.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S40中， 通过python脚本程序将每一个球形颗粒沿着对称面分割3次， 得到 形状相同、 大小相等的八部 分切块， 在每一部 分切块上设置分布规律相同的种子点， 从而为 每个球体划分了数量合理的六面体三维应力单元； 要求网格细度(颗粒直径与单元尺寸之 比)不低于15， 保证有限元模型计算具有良好的收敛性。 6.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S 50中， 根据高速压制实验的有效冲击时间， 设置合理的压实分析步时长， 通常在10毫秒以内。 设置质量放缩方案， 保证目标时间增量步大于最小稳定增量步， 加快模 型计算速度。 7.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S60中， 在定义相互接触属性时， 采用带有罚函数的库仑摩擦模型和 硬接 触压力‑过闭合算法分别表征切向和法向相互作用行为， 设置合理的颗粒 ‑颗粒和颗粒 ‑壁 面之间的摩 擦系数。 通过python脚本程序遍历计算颗粒中心距离， 将所有颗粒平均直径的5 倍设定为检测阈值， 当两颗粒中心距离小于该阈值时， 设定为可能的接触对， 从而实现不遗 漏接触且大幅减小计算 量的目的。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114492100 A 28.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S70中， 约束模 具和底部冲头的所有运动自由度， 赋予上冲头初始速度， 上 冲头初始速度的确定方法为： 其中， ms是粉末球形颗粒的总质量， mt是上冲头的质量， Em是设定的单位质量冲击能量。 9.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S8 0中， 通过压 坯相对密度 ‑冲击压力曲线、 颗粒体系在压制过程中的应力 分布云图、 颗粒体系在压制过程中塑性变形能与弹性变形能随时间变化曲线等关键信息全 面表征金属粉末高速 压制性能。 10.权利要求1所述的预测金属粉末高速压制成形性 能的三维多颗粒有限元仿真方法， 其特征在于： 步骤S 80中， 单位质量冲击能量的计算公式采用： 其中， E为设定的上冲头的动能， ms为粉末的质量； 压坯相对密度的计算公式采用： 其中， Vρ是所有颗粒的总体积， 压制过程中基本保持不变； Vbox是模具和侧壁围成的体 积， 压制过程中一直减小； 通过上面的公 式推导结果， 从而确定压 坯相对密度与单位质量冲 击能量的关系曲线。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114492100 A 3