計算機仿真在粉末冶金過程的應用及研究進展

　　摘 要 隨著綜合性能優秀、形狀復雜的粉末冶金零部件的量產化，為了更大程度的降低成本、提高質量、縮短開發周期，計算機仿真技術在粉末冶金領域的應用越來越廣泛。本文介紹了目前在粉末冶金領域應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際應用，比較了幾種仿真軟件的優缺點，提出了在實際生產實踐中仿真軟件的選擇標準，并對今后計算機仿真軟件在粉末冶金領域的發展提出了建議和展望。

　　李靜， 粉末冶金技術 發表時間：2021-08-11

　　關鍵詞 計算機仿真;粉末冶金;數值模擬;研究進展

　　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，經過壓制成形、燒結，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝過程[1–2]。隨著粉末冶金技術的不斷發展和進步，粉末冶金在國家安全和國民經濟建設中發揮了極其重要的作用，為人類社會和科學技術的發展做出了極大貢獻[3]。

　　粉末冶金產品廣泛地應用于航空航天、汽車制造、電子信息設備、核工業、半導體照明、高溫高壓裝備、醫療以及家電等領域，具有其他加工方法不可替代的優點。信息技術的飛速發展帶動了計算機仿真技術在工業研究領域的應用，計算機仿真可以用來構建、模擬和分析各種類型的復雜幾何元件，包括性質不均勻的材料以及不同類型組合構建的元件，可以方便快捷地解決許多物理場問題[3]。計算機仿真可以不斷進行優化設計，減少材料的消耗，降低前期的設計成本，縮短從前期設計到后期產品性能驗證的循環周期，還可以在制造或工程施工前提前發現產品潛在的問題。本文對目前在粉末冶金領域使用較為普遍的幾種計算機仿真軟件進行介紹和分析比較，指出了每種軟件的特色和應用領域。

　　1 粉末冶金過程數值模擬軟件介紹及選擇

　　數值模擬已成為與實驗技術并行發展的科學研究方法，在粉末冶金領域也不例外。目前發展成熟、應用率較高的數值模擬軟件有 Ansys、Abaqus、 Deform、MSC.Marc 以及 Comsol 等，這些軟件在粉末冶金領域應用廣泛，取得了非常好的效果。上述每種軟件都有各自的優勢和不足，為了保證數值模擬結果預測的準確性和高效性，選擇適合實驗過程的仿真軟件至關重要[4]，下面按照粉末冶金工藝過程(制粉、混粉、壓制、燒結、性能分析與預測)對各個軟件做介紹和分析。

　　1.1 Ansys 軟件

　　Ansys 是國際知名的工程 CAE 軟件，發展時間久，軟件成熟度高，主要優點有：(1)并行計算功能強大;(2)網格劃分能力強大;(3)對結構系統受外力負載后的狀態等問題的分析側重于具有溫度場和熱交換過程的模擬;(4)用戶開發環境良好[5]。但是，Ansys 軟件在處理接觸性和非線性問題上較弱。目前，Ansys 軟件在霧化制粉、溫壓、燒結、熱處理等工藝過程中使用較多。

　　歐陽鴻武等[6] 用 Ansys 軟件建立了霧化噴嘴的二維結構數字模型，研究不同霧化參數下霧化流場的數值模擬。夏敏等[7] 用 Ansys 的 Fluent 流體力學模塊對電極感應熔化氣霧化(electrode induction melting gas atomization，EIGA)噴嘴的主霧化與二次霧化過程進行了數值模擬，結果見圖 1 和圖 2。該研究實現了霧化過程的全過程模擬，在設定與實驗條件一樣的初始條件下，預測大部分粉末顆粒直徑在 100 μm 左右，該模擬結果與實驗結果基本相符。

　　1.2 Abaqus 軟件

　　Abaqus 是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，是美國 Abaqus 公司(原 Hibbitt, Karlsson& Sorensen, Inc)的產品。它具有廣泛的模擬性能，優秀的非線性分析能力，在機械、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業設計等領域中得到廣泛的應用。Abaqus 軟件自身擁有豐富的材料模型庫和成熟的塑性理論，可以分析非常龐大復雜的問題和高度非線性問題。Abaqus 軟件包括 Mohr-Coulomb 模型、 Cam-Clay 模型、擴展的 Drucker-Prager 模型以及修正的 Drucker-Pragercap 模型等，針對金屬粉末壓制問題具有很好的效果。Abaqus 還具備二次開發功能，用戶可以根據實際情況進行自身定制的二次開發。

　　Zhou 等[8] 基于 Abaqus 軟件的 Drucker-Pragercap 模型對粉末冶金生坯圓盤件進行壓實過程三維有限元模擬。基于 Abaqus 中修正的 Drucker-Pragerrcap 模型，采用彈塑性三維有限元方法進行了金屬粉末壓實過程模擬和殘余應力預測，如圖 3 所示[8]。通過典型的粉體力學性能試驗，確定了粉末 Distaloy AE 模型參數與相對密度的函數關系。對Distaloy AE ?20 mm× 5 mm 圓盤坯的單面壓實過程進行了數值模擬，并用有限元方法對圓盤坯頂出后的殘余應力進行了預測。

　　鄧正華等[9] 采用逆向設計思想設計和開發了低速重載軸承用材料，利用 Abaqus 軟件建立滑動軸承和軸配合的三維分析模型，并進行有限元受力分析，得出了低速重載滑動軸承服役所需的各項性能指標。通過對各種可用材料進行比較和篩選，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] 采用計算機斷層掃描(computed tomography，CT)檢測了 Ti 樣品的多孔結構，首先通過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建出三維模型，構建的三維模型能夠很好地反映實際孔隙結構，如圖4 所示;隨后，將計算機斷層掃描結果在Abaqus 軟件中用于有限元模擬，分析多孔 Ti 的力學行為。與傳統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果與實驗數據更吻合，如如圖 5 所示[10]。

　　1.3 Deform 軟件

　　Deform 是一款具有較強變形分析能力的有限元軟件，針對金屬塑性成形設計開發，用于分析金屬成形及其相關的各種成形工藝和熱處理工藝。在粉末冶金領域，由于其具有優異的成形分析性能，在粉末壓制、鍛造和滾壓致密化工藝中應用廣泛。Deform 有著卓越的準確性和穩定性，通過有限元分析獲得粉末成形過程中粉末流動、溫度分布、成形壓力、應力應變及裂紋等信息，通過對材料力學性能的分析，優化成形模具和工藝參數設計，有助于縮短新產品的開發研究周期。而且，Deform 還可以通過劃分細密的網格，降低運算規模，顯著提高計算效率，具有更高的精確性。

　　楊棟林等[11] 采用 Deform–3D 有限元模擬軟件對純鉬坯體多向鍛造進行數值模擬，如圖 6 所示，結合鍛造實驗，研究了變形溫度、鍛造壓下量及鍛造工步等對鍛件等效應變及其均勻性分布的影響，分析了經歷不同鍛造工步鍛件的等效應變和相對密度分布的演化過程，優選出了反復拔長–鐓粗的鍛造工藝。

　　楊兆偉等[12] 使用 Deform–3D 仿真軟件對連桿鍛造過程進行了有限元分析研究，對連桿毛坯和終鍛的上、下模具進行三維造型，調入 Deform–3D 進行參數設置，最后進行終鍛過程的數值模擬。對產品成形過程中的模具填充面、應力應變分布、載荷計算以及材料流動速度做了深入分析研究，使用數值模擬結果對連桿毛坯的設計優化改進。在其研究中，使用 Deform 對比分析了三種不同初始毛坯在連桿鍛壓成形過程中的材料配比和粉末流動情況，最終成形見圖 7 所示，通過對比發現，采用初始毛坯三是最優的。

　　Deform 軟件具有強大的成形過程分析能力，而且計算效率高、界面友好、操作簡單便捷，特別適合應用在粉末壓制成形、滾壓致密化等成形過程中，但對于靜力分析、結構性力學分析稍有不足。Deform 軟件無法仿真多孔體的蠕變行為，蠕變分析只針對彈塑性體模型有效;如果粉末體是松散狀態，也不能用該軟件進行壓制模擬。

　　1.4 MSC.Marc 軟件

　　MSC.Marc 是一款高級的非線性有限元軟件，各項功能齊全，具有適用于粉末材料的模型。 MSC.Marc 具有強大的非線性結構分析能力，可以處理各種線性和非線性結構分析，比如壓制分析和結構分析。針對粉末材料，MSC.Marc 在 Mises 屈服準則上專門特制適用粉末冶金材料的 ShimaOyane 準則。對于粉末材料的黏性和塑性行為， MSC.Marc 不僅可以同時分析，也可單獨分析材料的 蠕 變 或 塑 性 變 形 [13]。 MSC.Marc 軟 件 開 發 的 Powder 模塊非常適用于粉末壓制和燒結過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 材料本構模型比較真實地模擬粉末冶金燒結材料的塑性變形過程。通過建立的 MSC.Marc 有限元模型，對不同工藝參數，如進給量、滾壓轉速和摩擦系數等，對相對密度分布的影響進行了比較分析，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別不變。在實際工藝設計中可適當增大進給量、滾壓轉速和摩擦系數，以達到粉末冶金件表面致密強化的最佳效果。張京[15] 通過研究粉末成形理論，以大變性彈塑性有限元理論為基礎，運用 MSC.Marc 有限元軟件建立了粉末仿真數學模型，研究了 WC–Co 粉末壓坯的密度分布、應力分布、形狀尺寸等不同壓制參數的變化以及粉末流動情況，并對各種壓制參數下壓坯密度分布的差異進行了分析，研究得到密度均勻性是衡量其質量是否合格的重要指標，驗證了模擬計算的準確性，對壓制工藝參數的確定提供依據。

　　粉末熱等靜壓過程是一個涉及到多場耦合的非線性過程，特別在成形復雜零件時，會出現應力分布不均勻和壓力屏蔽現象，采用數值模擬技術對成形過程進行模擬和預測十分必要，可以準確預測最終零件形狀和優化成形工藝。郎利輝等[16–17] 采用 MSC.Marc 軟件的 Shima 模型對鈦合金粉末和 2A12 鋁合金粉末在熱等靜壓(hot isostatic pressing， HIP)條件下成形過程進行數值模擬，對材料變形和致密化規律進行研究，全面分析了熱等靜壓成形的鈦合金和 2A12 鋁合金材料的微觀組織和力學性能。利用實驗驗證數值模擬結果，其中誤差率在 5.00% 以內，是工程允許的誤差范圍，說明利用數值模擬手段預測試樣尺寸對于鈦合金粉末的熱等靜壓成形具有一定的指導意義。

　　利用 Fe 粉制備活塞機構中使用的平衡器， Song 等[18] 通過 MSC.Marc 軟件建立了平衡器的三維有限元仿真模型，將本構函數引入 MSC.Marc 軟件用戶子程序，得到了平衡器的相對密度分布，如圖 8 所示。模擬結果表明，在大變形條件下，接觸表面的摩擦導致工件密度分布不均勻。對于相對密度分布，模擬數據與實驗結果基本一致。

　　1.5 Comsol 軟件

　　Comsol 原稱 Comsol Multiphysics，被稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”， Comsol 的發展時間比 Ansys 要晚，但是該軟件以其獨特的設計理念，已經在各類數值模擬軟件占據了核心地位，主要優點有：(1)可以輕松實現多物理場的直接耦合分析;(2)專業的計算模型庫;(3)內嵌有豐富的 CAD 建模工具;(4)豐富的后處理功能，輸出的圖片和動畫可視化強;(5)多國語言操作界面，易學易用。

　　譚樹林等[19] 采用 Comsol 多物理場耦合的商業軟件建立熱–力–電耦合有限元模型，對 SiC 材料的電流輔助燒結致密化機理進行了模擬研究，在模擬中實現了電流活化作用實時影響擴散行為，用以研究電流輔助燒結的微觀機理。研究表明，在電流輔助燒結中，活化作用可極大促進致密化過程，提高溫升率不僅可以更早達到致密化所需溫度，而且可以使得擴散驅動力增大，進而促進致密化的進行。

　　2 其他粉末成形數值模擬軟件以及軟件選擇

　　除了市場上各主流有限元分析軟件 Ansys、 Abaqus、Deform、MSC.Marc 及 Comsol 以外，顆粒力學仿真軟件 EDEM 等軟件也在粉末冶金領域有突出的表現。該軟件把介質看作離散的獨立運動的粒子所組成，通過軟件仿真、分析和觀察粒子流的運動規律[20]。EDEM 軟件可以記錄每個粉末顆粒的具體信息，如質量、溫度和速度等，可以分析每個顆粒上的作用力，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題，分析粉體填充密度、壓坯壓制力和內應力。同時， EDEM 還提供了非常強大的后處理功能[21]。趙艷波等[22] 利用 EDEM 軟件模擬純鐵粉體在模腔內的振動狀態，研究了振動頻率、振動幅度等工藝參數對粉體振動填充密度的影響，確定出最佳工藝參數，并通過對比實驗驗證了仿真結果的可靠性。劉義倫等[23] 通過 EDEM 軟件建立模壓成形過程的離散元模型，分析不同壓制速度和摩擦系數對壓坯壓制力和壓坯內應力的影響，為優化釹鐵硼成形工藝提供理論參考。

　　目前有多種數值模擬商業軟件，如 Abaqus、 Deform、Ansys、Comsol 以及 MSC.Marc 等，都已在粉末冶金領域有所應用。但是，目前市場上存在的各主流分析軟件都有各自的側重點，選擇適合的有限元模擬軟件的至關重要。Abaqus 軟件具有豐富的材料模型庫，其中，擴展的 Drucker-Prager 模型等能很好地分析金屬粉末的塑性問題，在復雜結構力學等非線性問題分析方面具有強大優勢;同時，在處理接觸問題和網格劃分便利度等方面也具有強大的處理能力。但是，Abaqus 軟件在操作性和粉末壓制適用度方面表現較弱。Deform 軟件具有較強的變形分析能力，適用于金屬成形過程分析。但是 Deform 軟件自帶的屈服條件較少，只有 3 種，當針對各向同性的材料進行分析時，Deform 的 Mises 屈服準則于粉末材料不適用。Deform 軟件無法仿真多孔體的蠕變行為，而且，如果粉末體是松散狀態，也不能用該軟件進行壓制模擬。MSC.Marc 軟件根據粉末冶金的成形特性和屈服準則，開發了針對粉末冶金成形過程的模塊，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，其內置的 Shima 模型也獨具優勢，在操作性和粉末壓制適用度方面有較好的表現。Ansys 軟件具有強大的并行計算功能，強大的網格劃分能力和良好的用戶開發環境，適用于溫度場、燒結、熱交換過程的模擬，但是在處理接觸性和非線性問題上較弱。

　　3 結論

　　近年來，高性能、多功能、高強度、復雜形狀的粉末成形零部件的批量生產在快速發展，粉末制品的形狀尺寸越來越復雜且力學性能指標越來越高，為了更大程度地降低成本、提高質量和縮短開發周期，計算機仿真技術在金屬粉末成形中的應用越來越普遍。目前在粉末冶金領域應用較多的軟件有 Ansys、Abaqus、Deform、Comsol 和 MSC.Marc，這些軟件都有各自的優勢和不足之處。合理選取粉末各工藝過程中的物理參數、流動法則、控制方程、硬化模型，對提高本構模型的準確性和軟件預測能力至關重要。

　　針對現狀，粉末冶金領域計算機仿真在以下幾個方面仍需進一步深入研究和改進。(1)宏觀力學模擬和微觀力學模擬相結合，加深對粉末致密化機理和微觀組織演化規律的認識，為金屬粉末制造工藝設計和產品的性能控制提供理論指導。(2)深化多物理場耦合分析能力以及復雜三維零件的數值模擬和優化設計。(3)采用高級語言對計算機仿真軟件的二次開發和數據庫的建立至關重要。目前的仿真軟件預測能力和精確度仍十分有限，需要將所取得的實驗數據、本構模型、數值模擬結合起來，使用更高級的計算機語言進行二次開發，開發出更準確、更適合、更便捷的接口模塊。在實驗和模擬的基礎上建立豐富材料參數數據庫，提高對粉末冶金過程中定量分析、復雜模擬和預測能力。