金属粉末在冲击加载的条件下,会出许多不同与传统压制的特殊现象,其成形机理也就变得大为不同,为研究金属粉末在冲击加载条件下的成形过程;颗粒体系的动态响应过程以及金属粉末的致密化机理。本文基于离散元原理尝试利用PFC3D软件对金属粉末,冲击加载的三维数值模型,最大程度上接近工程应用的实际情况,分析在三维情况下颗粒的运动、扰动的传播等情况,并对模型在单次加载过程中,颗粒体系中力链立体网络的形成过程;三维力链网络的内部结构;以及单颗颗粒的受力情况进行研究分析。(1)根据颗粒物质力学理论,对比了两颗粒接触的基础接触力理论(既Hertz接触理论和Mindlin-Deresiewicz接触理论)和颗粒离散单元法的软球数值模拟模型的优缺点和适用范围,确定使用软球模型进行数值模拟。该模型不仅可以计算粉末颗粒之间存在的切向力和法向力,并且还可以模拟出颗粒之间发生相对转动。(2)使用PFC3D软件建立金属粉末高速压制的三维模型。在宽为10mm高5mm的圆柱形空间,建立直径为0.15mm的13845个圆形颗粒,压板以10 sm/的速度沿Z轴向下运动。模拟出的透射波波形符合金属粉末冲击加载条件下,透射波波形所具有的一般特性。并且粉末模型内部的结构与金相图都有较高的相似度可较为真实的反应实际工程情况。(3)从颗粒的运动和颗粒接触力两个方面,分析了加载过程中颗粒体系的动态力学响应情况。金属粉末在受到冲击加载的情况下,颗粒间通过震动传递扰动、颗粒具有更大的动量,有利于颗粒的重排;加载过程中,会因颗粒流动而形成剪切带,这有利于颗粒缝隙中空气的排除;颗粒单次受力的作用时间极短,大大降低了颗粒因摩擦而消耗的能量,从而提高了成形效率。振动,剪切带,更大的动量和摩擦损失小,这些因素都有利于压坯致密化程度的提高。(4)通过观察应力波透射波波形,分析了冲击加载速度对成形作用的影响:随着加载速度的提升,加载前期的振动强度逐渐减少,因此会削弱颗粒的运动,可能不利于粉体间空隙的填充和空气的排除,但加载速度的提升同样会提高金属粉末的受力,可以为压坯提供更大的机械啮合力。应用该数学模型,还获得了应用传统实验方法无法获得的,模壁上侧压力的分布情况:随高度的增加模壁所受到的最大侧压力的呈波浪式逐渐上升,其形成原因与粉末内强力链的交错排列有关。(5)由于离散元理论不考虑颗粒变形,为了弥补数值模拟的不足,利用分离式霍普金森压杆对金属粉末进行了高应变率冲击加载实验,发现冲击加载中存在二次加载的现象。并研究了冲击速度对应力波透射波的影响:随冲击速度的提高,透射波的波形峰值也随之呈线性增长,总体振动幅度减小,此现象与数值模拟结果相同。还研究预压对冲击加载的影响,发现预压力的提高,可以提高透射波的波阵面幅值,并会促使颗粒更快的进入变形阶段。