采用3D DEM-FEM耦合仿真技术，以提高复杂形状部件在热等静压加工过程中的变形预测精度

《Journal of Materials Research and Technology》：3D DEM-FEM coupling simulation for enhanced deformation prediction in hot isostatic pressing of a complex-shaped component

热等静压（HIP）制造中，传统有限元模型（FEM）因忽略非均匀粉末密度分布而影响变形预测精度。本研究提出DEM-FEM耦合模型，通过离散元方法（DEM）模拟粉末填充及振动过程，获取3D相对密度分布，并利用Python脚本自动映射至FEM网格，显著提升尺寸预测精度，平均偏差降低45%，最大改进达0.585 mm。该方法适用于复杂几何零件，解决了低密度区域与应力集中问题，为HIP工艺优化提供新工具。

　　热等静压（HIP）是一种先进的制造技术，广泛应用于航空航天、汽车及能源等行业。该技术通过将金属粉末置于高温和高压环境中，实现复杂结构和高机械性能零件的成型。HIP过程中，粉末材料会经历显著的收缩，这不仅对零件的最终形状产生影响，也对金属胶囊的设计提出了更高的要求。传统的有限元方法（FEM）虽然能够预测HIP零件的变形行为，但在处理粉末材料非均匀密度分布的问题上存在局限性。本文提出了一种新的三维离散元-有限元（DEM-FEM）耦合模型，以更精确地模拟HIP过程中粉末的填充、振动和随后的变形行为，从而提高零件成型的预测精度。

### 1. 研究背景与意义

HIP作为一种金属粉末成型技术，通过高温高压环境下的粉末致密化，可以制造出具有低孔隙率和高强韧性的零件。然而，在实际制造过程中，由于粉末在胶囊内的初始密度分布不均，会导致零件在变形过程中出现非均匀收缩，影响最终的形状精度和力学性能。因此，如何准确预测这种非均匀密度分布对零件变形的影响，成为提高HIP制造过程仿真精度的关键。

传统的FEM模型通常将粉末视为连续的多孔材料，设定统一的相对密度值，忽略了粉末在胶囊内部不同区域之间的密度差异。这种假设虽然简化了计算过程，但无法真实反映粉末在HIP过程中的实际行为，尤其是在复杂几何结构中，非均匀密度分布对材料性能演化和最终变形的贡献被忽视。此外，FEM在预测材料变形时，往往忽略了粉末密度变化对材料力学性能的影响，例如杨氏模量的变化。因此，为了提高HIP过程的仿真精度，必须考虑粉末的非均匀密度分布及其对材料性能演化的影响。

DEM作为一种能够模拟颗粒级行为的数值方法，能够提供更精确的粉末密度分布信息。然而，现有的DEM模型在模拟过程中往往忽略振动或敲击效应，导致粉末的密度分布与实验结果存在偏差。因此，为了提高DEM的预测能力，需要在模型中引入振动过程，并将其结果与FEM模型进行耦合。此外，DEM与FEM之间的数据传递也需要一种高效的方法，以确保粉末密度信息能够准确映射到FEM模型中，从而实现对材料变形的更精确预测。

### 2. 方法论

本研究采用三维DEM-FEM耦合模型，结合实验数据进行验证，并通过Python脚本实现数据的自动传递。具体来说，研究首先通过实验对粉末填充过程进行观察，获取粉末的堆积角和密度分布信息，并据此对DEM模型进行校准和验证。随后，将DEM模型中获得的粉末密度分布数据通过Python脚本导入FEM模型，实现对粉末材料性能的动态模拟。

在FEM模型中，粉末的密度变化被用于计算其杨氏模量的变化，并将其作为材料参数输入到FEM仿真中。此外，研究还采用了Gurson模型作为FEM的本构模型，该模型能够描述多孔金属材料在塑性变形过程中的行为。通过将DEM模拟得到的粉末密度分布信息引入FEM模型，可以更真实地模拟粉末在HIP过程中的致密化行为，提高对零件变形的预测能力。

为了降低计算成本，研究采用了对称模型进行仿真。具体来说，只模拟了零件的1/10部分，并通过镜像和拼接技术将结果扩展到整个零件。同时，为了更准确地模拟粉末填充和振动过程，研究引入了周期性边界条件，确保模拟过程中粉末的流动和分布能够与实验结果保持一致。此外，研究还考虑了粉末密度对材料性能的影响，特别是在HIP过程中，粉末密度的动态变化会影响其塑性变形行为。

### 3. 结果与讨论

通过实验和DEM-FEM耦合模拟，研究获得了粉末在HIP过程中的密度分布、变形行为和应力状态。实验结果显示，粉末在填充过程中存在非均匀分布，尤其是在上下台阶区域，粉末密度较低，导致这些区域在HIP过程中发生较大的收缩变形。DEM模拟进一步揭示了这些低密度区域的形成原因，主要是由于结构设计和粉末流动不足所致。相比之下，FEM模型在模拟过程中忽略了这些密度差异，导致预测结果与实际变形存在偏差。

DEM-FEM耦合模型的仿真结果表明，该模型能够更准确地预测粉末在HIP过程中的变形行为。例如，在模拟过程中，DEM-FEM模型的平均偏差比传统FEM模型降低了45%，最大偏差也有所减少。此外，在多个特征位置，DEM-FEM模型的预测结果与实验结果更加接近，尤其是在薄壁区域和底部台阶区域，显示出显著的改进。这些结果表明，DEM-FEM耦合模型在预测HIP零件变形方面具有更高的精度。

在应力分析方面，DEM-FEM耦合模型能够更真实地反映粉末在HIP过程中的应力分布。实验结果显示，传统FEM模型对某些区域的应力集中程度存在过高的预测，而DEM-FEM模型则能够更准确地识别这些高应力区域，并减少对应力大小的过预测。这种更精确的应力分析有助于优化HIP制造过程，并提高零件的设计可靠性。

此外，研究还发现，DEM-FEM模型能够有效捕捉粉末在HIP过程中的非均匀密度分布对材料性能演化的影响。例如，在HIP的早期阶段，粉末的塑性变形阻力较大，而随着密度的增加，塑性变形逐渐减少。这种非均匀密度分布的影响在传统FEM模型中并未得到充分体现，而DEM-FEM模型则能够通过更精确的粉末密度分布预测材料的变形行为。

### 4. 结论与展望

本研究提出的三维DEM-FEM耦合模型在预测HIP零件变形方面表现出色，其预测精度显著优于传统FEM模型。通过将DEM模拟结果中的粉末密度分布信息引入FEM模型，能够更真实地反映粉末在HIP过程中的行为，提高对零件形状和应力分布的预测能力。此外，该模型还能够处理复杂几何结构的零件，具有良好的通用性和可扩展性。

在实验验证方面，研究通过观察粉末的堆积角和密度分布，确认了DEM模型的准确性。同时，通过将DEM模拟结果与实验数据进行对比，验证了DEM-FEM耦合模型的有效性。实验结果显示，DEM-FEM模型在预测零件形状和应力分布方面具有更高的精度，特别是在薄壁区域和底部台阶区域，能够显著减少预测偏差。

本研究还开发了一种Python脚本，用于自动提取DEM模拟结果中的粉末密度数据，并将其映射到FEM模型中。这一方法不仅提高了数据处理的效率，还减少了人为误差。此外，该脚本具有良好的通用性，能够适用于任意几何形状的HIP零件，为未来的研究提供了新的思路。

综上所述，DEM-FEM耦合模型在提高HIP零件制造过程的仿真精度方面具有重要的应用价值。通过考虑粉末的非均匀密度分布及其对材料性能的影响，该模型能够更准确地预测零件的变形行为和应力分布，为优化HIP制造过程和提高零件质量提供了有力支持。未来的研究可以进一步探索该模型在其他粉末材料和制造工艺中的应用，以及如何通过改进DEM和FEM模型之间的数据传递方法，提高整体仿真效率和精度。