铁基粉末高速压制PFC3D仿真

关键词：离散元；PFC3D；高速压制；力链；颗粒流模拟

一、文章简要介绍

粉末冶金里，高速压制能在很短时间里把金属粉末压成高密度坯体，效率高、成本低，但压制过程中的颗粒运动、应力波传播和密度不均一直不太好观察，因为整个过程只有几百微秒，实验手段很难看清内部。这篇文章换了个思路：既然粉末本身就是离散的颗粒体系，那就用离散元来描述。作者以铁基粉末为对象，用 PFC3D 6.0 建立了与分离式霍普金森压杆（SHPB）实验一致的颗粒流模型，把高速压制全过程算了出来，从颗粒运动、应力波传播、力链形成到颗粒间接触力，一层层拆开看（DOI：10.1038/s41598-025-16691-1）。

图1 SHPB 实验原理与装置

二、PFC3D 建模与接触模型（重点）

先说模型怎么建。PFC3D 里颗粒被当作刚性球，但允许在接触处重叠，靠重叠量来算接触力，所以不需要事先定义宏观本构，只要给出粒径、刚度、摩擦这些细观参数就行。作者用的是线性平行黏结接触模型：法向是弹簧加阻尼器，切向是弹簧加阻尼器再加一个滑块，这样既能传力也能传力矩，颗粒之间还能转动。刚度和阻尼系数按 Hertz 接触理论反算，法向刚度由等效弹性模量、等效曲率半径和参考间隙决定，切向刚度再按泊松比换算。

图2 简化接触模型（线性平行黏结）

具体到模型：在直径 16 mm、高 12.96 mm 的圆柱里随机生成 9288 个球形颗粒，粒径在 0.25 到 0.45 mm 之间均匀分布，初始孔隙率 0.32。加载前先用伺服控制施加 10 kPa 的围压和预压，把颗粒压实到动能接近零，模拟真实的布料状态。接触取线性模型，摩擦系数 0.5；粉末密度 7850 kg/m³，弹性模量 200 GPa。加载波形是单周期正弦波，幅值 5 m/s、频率 20 kHz，作用时间 50 微秒正好一个完整周期，保证是一次冲击而非反复激励，总仿真时长 0.4 ms。SHPB 的撞击杆与入射杆用 18Ni 高强钢，屈服强度 2 GPa。

图3 粉末颗粒的三维 DEM 模型（PFC3D 6.0）

三、PFC3D 仿真结果与分析

模型靠不靠谱，先看波形。作者把仿真得到的入射、反射、透射波形和 SHPB 实测波形做了对比，两者趋势基本一致；透射波呈锯齿状上升，这是因为颗粒逐层排列、应力波一层层传递造成的。这说明模型可以复现真实的动态压制过程，后面基于它的细观分析才有意义。

图4 高速压制过程的入射、反射与透射波形

接下来看内部。加载初期，试样右端（加载端）的颗粒先获得速度，而此时颗粒间隙还比较大，扰动传不远，所以只有靠右的颗粒有较高速度。随着压制推进，速度云图上出现明显的剪切带，剪切带形状会从一字形逐步演变成不规则的锯齿形。剪切带内部的颗粒排列与周围不同，密度也随之不同；如果剪切带发展得不均匀，就会破坏坯体密度的均匀性。

图5 19000 时步的颗粒速度分布云图（PFC3D 6.0）

作者还观察到颗粒速度在近模壁区域比中心区域更高。从细观上解释有两方面：一是颗粒堆积方式的差异，靠模壁的颗粒高速碰撞、把空气排得更干净，堆积更密实；二是孔隙分布不同，壁面附近颗粒运动快、排气充分、孔隙率低，而内部区域颗粒运动慢、空气排出困难、孔隙率相对偏高，于是整个坯体出现孔隙分布不均。

力链是颗粒体系里传递载荷的骨架，也是这篇文章的重点之一。加载刚开始时，力链以弱链为主；随着压制进行，强力链逐渐增多、弱链减少，右端颗粒接触得更紧，强链先出现在右端，再不断向左扩展，强链周围还伴着大量弱链。等到冲击波消失，力链随之减少，分布也趋于均匀。作者把不同时刻的力链网络都画了出来，可以直观看到载荷是怎么一层层往左传的。

图6 19000 时步的颗粒力链网络（PFC3D 6.0）

图7 24000 时步的颗粒力链网络（PFC3D 6.0）

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