冷喷涂中粒子与基体的高速冲击过程 high-velocity impact process between paritcle and substrate in cold spraying.pdfVIP

第30卷第5期 爆炸与冲击 V01．30，No．5 2010年9月 EXPLOSl0NANDSHOCKWAVES Sept．。2010 文章编号：1001—1455(2010)05一0546一05 冷喷涂中粒子与基体的高速冲击过程+ 殷硕，王晓放，李 岳 (大连理工大学能源与动力工程学院，辽宁大连116024) 摘要：利用非线性动力分析软件LS-DYNA，对冷喷涂中铜粒子与铜基体的碰撞过程进行了3维数值分 析。研究沉积粒子与被喷涂基体的变形行为以及影响数值模拟结果的关键因素。数值模拟结果表明：通过3 维模型获得的铜粒子与铜基体在碰撞结束后的沉积形貌与实验观察吻合很好，比采用2维模型获得的模拟结 果更精确。另外，3维模型的网格尺寸对喷涂粒子的临界速度和粒子的变形行为也有很大影响，随着网格尺 寸的减小，粒子的临界速度及扁平率逐渐减小，压缩率逐渐增大，利用插补法获得的网格尺寸为0时的铜粒子 临界速度、扁平率及压缩率与实验结果吻合很好。 关键词：固体力学；碰撞行为；3维模型；冷喷涂；网格尺寸 中图分类号：0346；TGl74；TQ63国标学科代码：130·1530文献标志码：A l 引 言 得了铜粒子撞击铜基体的临界速度；T．H．van 系统的分析；C．J．Li等Ⅲ通过实验获得了钛涂层，并对涂层特性进行了深人研究。虽然通过实验方法 可以对临界速度及涂层性能进行准确的判断。但由于高速碰撞的瞬时特点，对喷涂粒子的变形过程却不 能直接进行实验观察。而数值模拟则为研究粒子的变形过程提供一种有效的途径，通过数值模拟所获 得的沉积粒子的形貌与实验获得的实际粒子形貌可以很好地吻合[5{]。因此，数值模拟已经成为对冷喷 涂粒子沉积过程分析研究的主要手段。但是，已公开发表的采用数值模拟方法研究冷喷涂粒子变形行 为的文章中，多数采用的是轴对称的2维模型，对粒子与基体冲击过程的3维模拟则报道较少。本文 中，对粒子与基体的冲击过程进行3维数值模拟，探讨基于3维模型下冷喷涂冲击过程的一些特点。 2计算模型 2．1数值计算方法 采用显式非线性动力分析有限元软件L孓DYNA对碰撞过程进行模拟，基于质量、动量和能量守恒 —TO_SURFACE类型。数值模拟采用半径为10 t．tm的圆球形粒子，为减少计算时间，同时保证计算精 度。模型采用了整个3维模型的四分之一，基板的半径和高度分别为设定为粒子半径的4和10倍。粒 子和基体都采用均匀细密的六面体网格。基体底部与对称面采用固壁约束，其他面均作为自由表面处 理。图1为有限元几何模型及网格划分示意图。 2．2材料模型 针对冷喷涂碰撞时间极短的特点，冲击过程描述为绝热过程、应变率变化大、塑性变形导致温度升 强化和温度软化效应的影响。MAT_]OHNSON—COOK材料模型的屈服应力可表示为H¨u -收稿日期：2009—07—13；修回日期：2009-11-02 基金项目：国家自然科学基金项目 作者简介：殷硬(1984一)，男．博士研究生． 万方数据 第5期 殷硕等。冷喷涂中粒子与基体的高速冲击过程 547 (1) 。西=CA+B(e,p)“]i-1+Clne’][1一(T。)”] 式中：A、B、以、C、m均为与材料相关的常数，e：为有效塑性应 变，e’为应变率e与参考应变率￡。的比值，丁’为量纲一参 数，T’=(丁一To)／(Tm—To)，丁。为材料熔点，T0为环境 温度。另外，MATJOHNSON—COOK材料模型需要材料的 状态方程，计算采用的是线性EOS_GRUNEISEN状态方程。 选取铜作为粒子与基体的材料，密度为8．960t／m3，比热容 为386J／(kg·K)，弹性模量为124GPa，泊松比为0．34，材 MPa，B=292MPa，以=0．31，C=0．025， 料相关参数A=90 356