维资讯hp/www.cqvip.com 第2期 单德彬等:精密微塑性成形技术的现状和发展趋势 然而现阶段成千个并行CPU的超级计算机能够模 拟的模型尺寸还未达到微米量级。模拟时间最多只 有纳秒量级,但许多实际物理过程需要达到秒或者 更长的时间周期。金属材料本质上是多尺度的,包 括空间和时间的多尺度,因此当前的分子动力学技 术无法真实地再现金属材料的变形和加工等行为 当前出现的跨尺度方法是一种有益的尝试 跨尺度的思路是将模拟对象按纳观、细观和宏 观等不同尺度划分多个区域,不同的区域采用不同 图14微塑性成形设备实物图 效率、不同精度的算法,从而大大消除冗余计算自 Fig 14 The photograph of micro forming system 由度,克服计算机速度的限制,有效地模拟更大体 积材料和模拟更长的时间。目前已经发展了多种跨 等。PID控制是利用高精度传感器和PD控制器实尺度方法。其中 Tadmor4等提出的跨尺度方法 现闭环控制来达到精确控制的目的。为了满足等温 准连续( Quasicontinuum,QC)方法获得了极 成形工艺的需要,设计了温度控制模块。在模具装大地成功。其基本思路,是将研究对象划分为不同 置中安装加热器对模具进行加热。温度控制由温度区域,变形梯度变化剧烈区域采用原子模型计算, 控制器来实现。通过压电陶瓷多次工作,能够满足变形梯度变化均匀区域则采用有限元分析,大大降 大变形量的需要,使成形设备具有更好的适用性 低了自由度,计算过程中根据需要可以自动进行有 压电陶瓷移动的位移量由LVDT位移传感器进行检限元和原子级计算区域划分。有限元区域的本构方 测。研制的微塑性成形设备能够满足微塑性成形实程不再釆用唯象的经验公式,而是直接通过原子 验的需要 作用的势函数计算得到,从而保证了计算的精度。 由于微塑性成形装置方面的研究涉及了多个学该方法达到了所希望的原子级计算与有限元耦合后 科,研制的难度较大,目前大部分的系统都是针对的3个目标 某一种成形工艺研制的,因而应用的范围较窄,这 1)计算自由度大大减少,然而临界区域的完全 就需要在这方面开展更深入的研究。 原子级描述被保留 2)计算系统中的能量时不必计算系统中的每 4微塑性成形数值模拟方法研究 个原子,从而节省计算自由度; 3)在模型中完全原子级描述的临界区域能够随 进入到微纳米尺度时,用连续介质力学的方法 着变形的变化过程相应的演化。 已经不能得到满意的解释。在这一尺度上,主要是 作者使用该方法对单晶面心立方材料纳米压痕 材料离散的晶格特征因素的影响。晶体是由大量的变形行为的初始位错和弹塑性转变的影响进行了研 原子有序排列而成,材料的强度来源于原子间的相究,准确地观察到了面心立方材料的初始塑性,如 互作用,塑性来源于原子间的相互运动。因此,直图15所示,模拟尺度达到微米级 接从原子尺度进行研究显得非常必要3。在这方 面,当前应用最多的是分子动力学模拟方法。用分 子动力学进行微塑性成形的研究很多,例如宏观尺 度上拉伸变形实验研究是应用最为广泛的材料性能 测试实验研究方法,但是在微纳米尺度实现拉伸变 形的实验研究几乎是不可能的,英国剑桥大学 Lynden-Bel教授3应用LJ势函数对单晶Pt, Au,Rh和Ag进行了拉伸变形的分子动力学模拟。 当前分子动力学方法的发展基本上是延续以前 的方法,模型没有太大的改进。就目前而言模拟时图15跨尺度模拟方法观察到的面心立方材料初始塑性 间短和模拟系统尺寸小是最主要的不可避免的缺陷 Fig. 15 The initial plasticity investigated by multiscale method第 2期 单德彬 等：精密微塑性成形技术的现状和发展趋势 51 图 14 微塑性成形设备实物 图 Fig．14 Thephotograph ofmicroformingsystem 等。PID控制是利用高精度传感器和 PID控制器实 现闭环控制来达到精确控制 的 目的。为了满 足等温 成形工艺 的需要 ，设计 了温度控制模块 。在模具装 置中安装加热器对模具进行加热。温度控制 由温度 控制器来实现 。通过压电陶瓷多次工作 ，能够满足 大变形量 的需 要，使成形设备具有更好 的适用性。 压电陶瓷移动的位移量 由 LVDT位移传感器进行检 测 。研制的微塑性成形设备能够满足微塑性成形实 验的需要 。 由于微塑性成形装置方面的研究涉及 了多个学 科，研制的难度较大，目前大部分的系统都是针对 某一种成形工艺研制 的，因而应用的范围较窄 ，这 就需要在这方面开展更深入 的研究。 4 微塑性成形数值模拟方法研究 进入到微纳米尺度时，用连续介质力学的方法 已经不能得到满意的解释。在这一尺度上，主要是 材料离散 的晶格特征 因素的影 响。晶体是 由大量 的 原子有序排列而成 ，材料 的强度来源于原子间的相 互作用 ，塑性来源于原 子间的相互 运动。因此 ，直 接从原子 尺度进 行研究显 得非 常必要_3 。在 这方 面，当前应用最多 的是分子动力学模 拟方法。用分 子动力学进行微塑性成形的研究很多 ，例如宏观尺 度上拉伸变形实验研究是应用最为广泛 的材料性 能 测试实验研究方法 ，但是在微纳米 尺度实现拉伸变 形 的实 验 研 究 几 乎 是 不 可 能 的，英 国剑 桥 大学 Lynden-Bell教授[3曲]应 用 J势 函数 对单 晶 Pt， Au，Rh和 Ag进行 了拉伸变形的分子动力学模拟。 当前分子动力学方法的发展基本上是延续以前 的方法 ，模型没有太大的改进。就 目前而言模拟时 问短和模拟系统尺寸小是最主要的不可避免的缺陷。 然而现阶段成 千个并行 CPU 的超级计算机能够模 拟的模型尺寸还未达到微米量级。模拟时问最多只 有纳秒量级 ，但许多实际物理过程需要达到秒或者 更长的时间周期。金属材料本质上是多尺度的，包 括空间和时间的多尺度 ，因此当前 的分子动力学技 术无法真实地再现金属材料 的变形和加工等行为 ， 当前出现 的跨尺度方法是一种有益的尝试。 跨尺度的思路是将模拟对象按纳观 、细观和宏 观等不同尺度划分多个区域 ，不同的区域采用不 同 效率 、不 同精度 的算法 ，从而大大消除冗余计算 自 由度，克服计算 机速度的限制 ，有效地模拟更大体 积材料和模拟更 长的时间。目前已经发展 了多种跨 尺度方法。其 中 Tadmor[41]等提出 的跨尺度方法 — — 准连续 (Quasicontinuum，QC)方法获得 了极 大地成功。其基本思路 ，是将研究对象划分为不同 区域，变形梯度变化剧烈 区域采用原子模型计算 ， 变形梯度变化均匀区域则采用有限元分析 ，大大降 低 了自由度 ，计算过程中根据需要可 以自动进行有 限元和原子级计算 区域划分 。有 限元区域 的本构方 程不再采用唯象 的经验公式 ，而是直接通过原子间 作用的势函数计 算得到 ，从而保证 了计算 的精度 。 该方法达到了所希望的原子级计算与有限元耦合后 的 3个 目标 ： 1)计算 自由度大大减少 ，然而临界区域 的完全 原子级描述被保 留； 2)计算系统中的能量时不必计算系统中的每一 个原子 ，从而节省计算 自由度 ； 3)在模型中完全原子级描述的临界区域能够随 着变形的变化过程相应的演化 。 作者使用该方法对单 晶面心立方材料纳米压痕 变形行为的初始位错和弹塑性转变的影响进行 了研 究 ，准确地观察到了面心立方材料的初始塑性，如 图 15所示 ，模拟尺度达到微米级。 图 15 跨尺度模拟方法观察到的面心立方材料初始塑性 Fig．15 Theinitialplasticityinvestigated bymultiscalemethod 维普资讯 http://www.cqvip.com