第16卷 第4期
摘要：目的 建立可靠的模拟方法，以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料（PRAMC）粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异，解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题，满足批量应用的需求。方法 以 45%（体积分数）SiCp/6092Al 复合材料为研究对象，构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用 Gurson-Tvergard-Needleman（GTN）模型作为粉末本构模型，建立了粉末尺度的代表 性体积单元（RVE）对 GTN 模型进行修正。结果 通过对比 GTN 模型计算结果与实验结果，发现修正后的 GTN 模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸，与修正前相比，相对误差降低了 1.6%~2.9%。使用修正后 的 GTN 模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测，最终形状的计算结果与实验结果的相对误差 仅为 0.2%~3.1%，致密度分布的相对误差在 0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现，随着包套厚度的增大，热等静压过程中的屏蔽作用增强，内部粉体致密度下降。结论 为 PRAMC 热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具，辅助优化了热等静压工艺和包套设计，降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.001
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
冯效铭, 张峻凡, 王东, 等. 颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 1-9.
摘要：目的 研究氧化石墨烯在继承石墨烯优异性能的同时，是否会因为官能团的存在而影响复合材料界面的结合方式，抑制脆性相 TiC 的产生，解决石墨烯作为增强体时易发生界面反应从而影响材料塑韧性的问题。方法 根据(0001)Ti∥(0001)GO、 2110 Ti ∥ 1010 GO 界面位向关系，建立了 Ti/氧化石墨烯/Ti 共格界面 模型。采用第一性原理计算方法从电子原子尺度研究了环氧基和羟基对 Ti/氧化石墨烯/Ti 界面黏附功、界面能、原子结构和电子结构的影响。结果 环氧基和羟基都会使界面黏附功变大，界面能减小，形成结合更强、更稳定的界面，其中环氧基的贡献更大。官能团附近的 Ti 原子与氧化石墨烯中 C 原子的结合能力减弱。在 形成界面时，氧化石墨烯被还原，环氧基和羟基中的 O 原子与 Ti 基体会发生反应生成固溶体，羟基中的 H 原子可能保持与 O 原子之间的相互作用，也可能会脱离 O 原子的束缚与 Ti 基体有相互作用。结论 当氧化石墨烯和 Ti 基体形成界面时，氧化石墨烯的官能团会固溶在 Ti 基体中，抑制界面产物脆性相 TiC 的产生，石墨烯的片层结构更容易被保留，形成界面结合更好的复合材料。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.002
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
李婉莹, 韩秀丽, 张强, 等. GO/Ti基复合材料界面性质的第一性原理研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 10-18.
长径比对 TiB/Ti6Al4V 网状复合材料力学行为的影响
摘要：目的 针对高性能钛基复合材料开发过程中所面临的强韧性倒置问题，对网状构型钛基复合材料拉伸行为进行仿真，以揭示增强体长径比对材料强度与韧性的影响机理。方法 针对 TiB/Ti6Al4V 网状构型复合材料体系，构建增强相长径比不同的复合材料有限元模型，分别进行拉伸行为仿真，并对其应力-应变曲线、应力集中系数、应力云图和应变云图等进行预测与分析。结果 随着增强相 TiB 长径比的增大，复合材料的 断裂伸长率单调递增，弹性模量与抗拉强度则呈先下降后上升的趋势。结论 增强相长径比是影响复合材料力学性能的重要参数。增强相的长径比和局部体积分数的共同作用导致复合材料模量和强度随长径比的增大先降低后升高。此外，随着 TiB 长径比的增大，断口更加曲折，主裂纹多次偏转扩展方向，并沿着 TiBw/Ti6Al4V-Ti6Al4V“限域”界面扩展，进而消耗了大量的体系能量，这对材料韧化有积极影响。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.003
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
陈德成, 张浩男, 李建超, 等. 长径比对TiB/Ti6Al4V网状复合材料力学行为的影响[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 19-27.
摘要：目的 研究高体分铝基复合材料无压浸渗近净形制备的可行性，分析近净形复合材料的微观组织和力 学性能。方法 分别采用 74 μm 的碳化硅颗粒和 5%（质量分数）的聚乙烯醇溶液作为增强相和黏结剂，通过模具冷压获得立方体陶瓷生坯，经干燥后加工成异形预制体，再经高温烧结脱胶处理，采用无压浸渗法制备高体分铝基复合材料近净形样品，并采用颗粒自然堆积方案制备复合材料对比样品。采用扫描电子显微镜、三点弯曲测试等手段对比分析复合材料的微观组织、力学性能和断口形貌。结果 基于无压浸渗法成功制备出具有特定外形结构的铝基复合材料，复合材料密度为 2.93 g/cm3 ，弯曲强度为 327 MPa，弹性模量 为 205 GPa，可达到自然堆积型复合材料弯曲强度的 86.7%。碳化硅颗粒均为脆性解理断裂，说明颗粒和基 体合金结合良好。结论 采用模压和烧结通用方法制备的异形陶瓷预制体可以实现特定外形结构铝基复合材料的无压浸渗近净形制备，近净形复合材料的弯曲强度可满足电子元器件的性能要求。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.004
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
曹雷刚, 黄磊, 朱明雨, 等. 高体分铝基复合材料无压浸渗近净形制备[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 28-35.
摘要：目的 研究双模铝基复合材料连续区（Continuous Region，CR）和非连续区（Discontinuous Region， DR）力学性能对材料整体力学性能的影响规律，以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法 基于 Abaqus 模拟软件，以双模 CNT/Al 为研究对象，建立了构型尺度的代表性体积单元（RVE）模型，采用 GTN （Gurson-Tvergaard-Needleman）模型来描述双模 CNT/Al 中 CR 和 DR 的变形力学行为，通过定义力学性能 参数来简化描述 CR 和 DR 复杂的力学性能。针对双模 CNT/Al 的 CR 和 DR，分别设定力学性能参数 HC和 HD，并进行一系列的拉伸载荷模拟，研究 HC和 HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实 双模 CNT/Al 的力学性能进行对比，得到双模 CNT/Al 中 CR 和 DR 力学性能与均匀材料力学性能的差异，最后对双模 CNT/Al 在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果 当 HC 小于 4 时，双模 CNT/Al 的抗拉强度随 HD的增大而下降；当 HC大于 5 时，双模 CNT/Al 的抗拉强度随 HD的增大而增大；双模 CNT/Al 的屈服强度随着 HD和 HC的增大而增大，延伸率随着 HD和 HC的增大而降低。当 HD或 HC一 定时，在 HC=HD时，模型材料的延伸率最大。典型双模 CNT/Al 由“粗晶铝合金+CNT/超细晶 Al 复合材料” 构成，与均匀结构的粗晶铝合金相比，其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降；与均匀结 构的 CNT/超细晶 Al 相比，其构型中的 CNT/超细晶 Al 复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当 HD 大于 HC时，裂纹优先在 DR 产生；当 HD小于 HC时，裂纹优先在 CR 区产生；当 HD和 HC接近时，裂纹产生的区域更加分散。结论 建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型，从数值上说明了双模 CNT/Al 复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异，为双模铝基复合材料的设计提供了参考。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.005
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
庞雨婷, 张峻凡, 王文广, 等. 基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 36-44.
摘要：目的 研究拉伸载荷下镀镍石墨烯/钛复合材料界面的应力-应变行为。方法 采用分子动力学模拟方法，建立了镀镍石墨烯/钛复合材料界面的单晶模型，研究了不同方向拉伸载荷下材料的力学行为。结果 镀镍石墨烯复合材料的力学性能随着镀层厚度的增大而提高，镀层镍可以作为位错源使复合材料的位错密度提高，镀层镍塑性变形的滞后使镀镍石墨烯/钛复合材料具有更高的塑性变形能力。结论 材料的力学性能更多依赖于镀镍层数，随着镀层厚度的增大，镀镍石墨烯/钛复合材料表现出了更高的抗拉强度，但界面处的裂纹和空洞数量也有所增加，材料的延伸率有所下降。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.006
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
王锐, 韩秀丽, 康鹏超, 等. 镀镍石墨烯/钛复合材料界面力学行为的分子动力学研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 45-52.
摘要：目的 研究不同基复板间隙对爆炸焊接质量的影响，对钛（Ti）/不锈钢（SS316）的爆炸焊接过程进行数值模拟研究。方法 利用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件，结合光滑粒子流体动力学-有限元耦合法 （SPH-FEM 耦合算法）和拉格朗日-欧拉耦合法（ALE 算法），对钛（Ti）/不锈钢（SS316）爆炸焊接过程 进行三维数值模拟，通过不同算法得到不同基复板间隙下的碰撞速度、碰撞压力及碰撞角，并将模拟结果 与试验及理论计算结果进行对比。结果 当间隙为 5、10、15 mm 时，SPH-FEM 耦合算法和 ALE 算法的复 板碰撞速度均落在爆炸焊接窗口内，表明纯钛（Ti）和不锈钢（SS316）均能成功实现焊接，没有脱落与鼓包。与 SPH-FEM 耦合算法相比，ALE 算法下的碰撞速度、碰撞压力和碰撞角的模拟结果和理论计算结果更加吻合，可信度更高。结论 ALE 算法的模拟结果与试验结果吻合，且与理论计算结果的误差更小，表明 ALE 算法用于纯钛（Ti）和不锈钢（SS316）爆炸焊接是有效的。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.007
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
缪广红, 朱志强, 周大鹏, 等. 基于不同算法的Ti/SS316爆炸焊接数值模拟研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 53-60.
摘要：目的 有效抑制镁/铝复合板界面处金属间化合物的形成。以钛网为中间金属夹层，研究它对镁/铝复合 板微观组织和力学性能的影响。方法 利用复合轧制技术制备以钛网为中间金属夹层的镁/铝-钛复合板，采用 扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射仪（EBSD）、万能试验机等对复合板退火前后的微观组织和力学性 能进行表征和分析，系统研究中间层钛网对轧制态和退火态复合板微观组织、织构、拉伸性能、界面结合强 度的影响规律。结果 中间层钛网均匀分布在镁/铝-钛复合板界面处，钛网的添加能有效抑制复合板退火过程 中镁-铝金属间化合物的连续生长，减少金属间化合物的数量。与镁/铝复合板相比，钛网的添加对轧制态和退 火态复合板中镁层和铝层的平均晶粒尺寸和织构类型的影响较小。与镁/铝复合板相比，钛网的添加降低了轧 制态复合板的界面剪切强度和延伸率，但极大提升了退火态复合板的界面剪切强度、拉伸强度和延伸率。结论 中间层钛网的添加可有效减少复合板界面处金属间化合物的数量，提升退火态复合板的综合力学性能。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.008
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
李达, 李健, 冯波, 等. 钛网添加对镁/铝复合板微观组织和力学性能影响研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 61-70.
摘要：目的 研究双模 CNT/Al 复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法 通过 ABAQUS/Python 二次开发，对双模 CNT/Al 复合材料代表性体积单元（RVE）进行参数化建模，并基于显式动力学求解器和 欧拉-拉格朗日耦合技术，对双模 CNT/Al 复合材料 RVE 模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果 单向压缩模拟结果显示，结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大，结构边缘基体区域的等效塑性应 变相对较小；最大等效应力位于结构边角处的基体区域，而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现，当异质区为粗晶材料时，其变形后的形态更趋于扁平，而当异质区为细晶材料时，其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟，实现了对变形过程中双模组 织结构变化的分析，模拟结果显示，材料表面与模具贴合良好，异质区随变形的进行被不断拉长，部分异质区由于拉伸程度过大，甚至出现了分离的情况。结论 提出的模拟方法为双模 CNT/Al 复合材料的挤压变 形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.009
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
石礼硕, 朱智, 吴迪, 等. 双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 71-78.
摘要：目的 提出颗粒团聚分布的数值模型参数化建模方法，以高效建立颗粒有序分布的复合材料微观构型。方法 以颗粒尺寸、颗粒团聚区域的半径以及团聚区域局部体积分数和整体体积分数的比值作为表征颗粒团 聚结构的基本建模控制参数，首先建立了圆形/球形区域内的 Voronoi 多胞元结构，其次编写基于 Python 语 言的接口程序，根据角点坐标和几何拓扑关系将多胞元结构导入有限元软件中，并对每个胞元按团聚区域 局部体积分数进行缩放，形成了圆形/球形区域的颗粒团簇，最后使用随机顺序吸附算法将团聚颗粒在代表 单元内周期性随机投放，生成了颗粒团聚分布的复合材料二维/三维微观构型。结果 使用不同控制参数进行 数值建模测试，生成一个颗粒数目在 1 000 以内的二维/三维颗粒团聚微观构型仅需要数分钟，验证了本文 方法的有效性。使用二维模型对单轴拉伸进行数值模拟，结果表明，材料宏观塑性随着颗粒团聚程度的增 大而降低。结论 本文建模方法可以为复合材料结构设计提供有效的数值仿真支撑。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.010
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
翁琳, 吴爱中, 张镇国, 等. 颗粒团聚分布的复合材料数值模型[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 79-86.
摘要：目的 研究高精度仪器结构件在冷热变化过程中的尺寸变化原理和关键影响因素。方法 采用粉末冶 金法制备 25%（体积分数）SiC/2009Al 复合材料锻件，并加工出典型零件。研究了退火工艺对材料组织和 性能的影响规律以及−45~65 ℃的冷热循环过程对零件尺寸精度的影响，并采用代表性体积单元模型和有限 元方法分析了复合材料微区应力演化行为及其对材料尺寸稳定性的影响。结果 SiC 颗粒与铝基体线膨胀系 数的差异会导致复合材料在制备过程中产生大量热错配位错。退火过程会显著减少铝基体中的位错数量， 有助于提升材料的尺寸稳定性，但对材料的力学性能没有明显的影响。在−45~65 ℃下冷热循环 720 次，零件典型平面的平面度没有明显变化。结论 冷热循环过程会在一定程度上影响颗粒与基体之间的应力分配， 多次循环后复合材料微区应力-应变没有明显改变，因此零件的平面度没有明显变化。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.011
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
杨光, 金延文, 张峻凡, 等. 冷热循环下铝基复合材料构件尺寸稳定性影响因素研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 87-94.
基于神经网络的混杂 SiC 颗粒增强铝基复合材料力学性能预测
摘要：目的 提高混杂 SiC 颗粒增强铝基复合材料的韧性，利用卷积神经网络预测其力学性能，以得到力学性能关键因素的影响规律。方法 首先，通过实验得到了铝基复合材料的力学性能数据。其次，基于相场裂 纹扩展本构，采用 Python 代码批量生成了不同构型参数的代表性体积单元，并利用 Abaqus 软件进行了有限 元仿真（FEM）。通过代码实现了建模与仿真的一体化构建，利用得到的仿真数据，建立了神经网络模型，并实现了对复合材料力学性能的预测。建模前，对数据进行预处理和筛选，以提高数据质量并降低模型复杂度。最后，建立卷积神经网络，并优化模型的超参数。结果 通过建立的神经网络模型，实现了对复合材 料力学性能的有效预测。极限强度的预测误差保持在−7%~8.5%，能耗的预测误差保持在−5%~6%，预测精 度较高。结论 通过结合实验、仿真和卷积神经网络模型，可以更有效地预测混杂 SiC 颗粒增强铝基复合材料的力学性能，从而为材料设计和制备提供指导。
DOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.012
期刊英文名称简写：J. Netshape Form. Eng.
李晓童, 庄乾铎, 牛志亮, 等. 基于神经网络的混杂SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能预测[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 95-100.
