利用多孔塑性模型模拟粉末压制

在过去的七年中，制造业产出共增长了约 10~20%，这部分归功于技术与工艺不断发展，节省了时间和成本，比如 3D 打印技术和本文所描述的粉末压制。在最新版本的 COMSOL Multiphysics® 软件中，我们可以使用全新的多孔塑性模型来模拟该工艺。

粉末压制促进制造行业进步

粉末压制是指将金属粉末放入模具内，然后施加压力进行压实。模具型腔内的冲压工具（一般位于底面）负责施加高压。金属粉末被压实并塑造成特定的形状后，将从模具型腔中排出。

利用粉末压制技术，金属粉末被制成为固体部件。图像由 Alchemist-hp 提供，已获CC BY-SA 3.0 DE许可，通过Wikimedia Commons共享。

粉末压制工艺平均每分钟可生产 15~30 个部件，这使得制造商能够快速地设计出坚固的部件。与此同时，部件不需要大量额外处理，所以这套工艺还具有节约成本的优势。

从仿真的角度来看，我们需要对粉末压制进行高度非线性结构分析，借此解释：

• 活动部件之间的接触
• 适用于金属粉末的弹塑性本构定律
• 大位移导致的几何非线性

正如本文将演示的，COMSOL Multiphysics® 5.3 版本是处理此类分析的理想工具。

建模实例：利用粉末压制制造杯子

在本例中，我们考虑利用粉末压制制作一个杯形件。几何模型包含工件（本例中为金属粉末）和模具。需要注意的是，冲压工具不是模型设置的一部分。为了压实粉末，我们在粉末上表面和下表面的法向方向施加指定位移。由于模型呈轴对称，我们将其简化为二维模型，从而减少仿真的计算时间。

粉末压制分析的几何模型。

最新版本的 COMSOL Multiphysics 包含五种全新的多孔塑性模型，涵盖各种孔隙率值。

1. Shima-Oyane
2. Gurson
3. Gurson-Tvergaard-Needleman
4. Fleck-Kuhn-McMeeking
5. FKM-GTN

这些模型对于模拟粉末压制而言很重要，因为我们可以借助它们精确地表征工件的孔隙率，并生成可靠的结果。在本例中，我们将 Fleck-Kuhn-McMeeking 和 Gurson-Tvergaard-Needleman 模型相结合，借此描述铝金属粉末。需要注意的是，考虑模具的材料属性，我们假定它为刚性。

除了上文提到的指定位移边界条件之外，我们还将内部和外部模具设为固定域。

评估 COMSOL Multiphysics® 仿真结果

基于仿真结果，我们可以评估经过压实的金属粉末的各方面特性。首先是体积塑性应变。圆角中心的应变看起来最小，端部的应变较大。工件的拐角点处的应力大约为 12%——可能是与模具摩擦的结果 。

工件在压制过程结束时的体积塑性应变。

在压实过程中，随着部件密度和强度不断增加，铝粉末的孔隙率随之下降。考虑到此例采用的几何结构和负载，我们预测孔隙率的变化将是不均匀的。下方绘图展示了粉末的当前孔隙体积分数等值线；即粉末的孔隙率。与工件的中部和顶部相比，较窄的底部的金属粉末更加紧实。在靠近圆角的中心区域，由于材料在圆角上滑动，因此粉末的紧实度较差。下方动画演示了体积分数随时间的变化。

压实过程结束时的当前孔隙体积分数。

体积分数随着时间的变化。

最后，我们查看工件内的 von Mises 应力。结果表明，压制越紧实的地方应力越大。

工件内的 von Mises 应力。

利用多孔塑性模型分析粉末压制

选择合适的塑性模型对于模拟粉末压制非常重要；模型最好在分析工具进行了预定义，并且可直接使用。为了满足用户的建模需求，COMSOL Multiphysics® 5.3版本提供了五个具有各种不同的孔隙率值的新模型。

如需了解如何使用多孔塑性模型，请尝试此博客文章介绍的案例。