一种用于饲料粉压缩的准静态弹塑性粘附（QEPA）接触模型

《Powder Technology》：A quasi-static elasto-plastic adhesion (QEPA) contact model for feed powder compression

粉末压缩对冶金、制药等领域至关重要，现有离散元法（DEM）接触模型难以准确捕捉非线性弹塑性及粘附行为。本研究提出准静态弹塑性粘附（QEPA）模型，整合经典压缩方程与弹塑性接触力学，涵盖弹性、弹塑性、完全塑性及粘附阶段。通过单孔闭式压缩（SHCC）、单孔开放式压缩（SHOC）和回弹验证实验，验证模型能精确复现非线性压缩特性、挤出行为及回弹效应，最大回弹位移误差仅2.04%，相比Hertz和EEPA模型整体误差降低52.51%。该模型为粉末压缩过程模拟提供了可靠框架。

　　粉末压缩是粉末冶金、食品加工和制药等行业中的关键工艺，其行为的准确模拟对于优化生产流程和提高产品质量具有重要意义。然而，目前用于离散元法（DEM）的接触模型在描述非线性弹塑性和粘附特性方面存在一定的局限性。为了解决这一问题，本研究提出了一种准静态弹塑粘附（QEPA）模型，该模型通过将经典压实方程与弹塑接触力学相结合，能够更全面地反映粉末压缩过程中弹性、弹塑性、完全塑性和粘附阶段的复杂行为。

在实际应用中，粉末材料表现出的非线性响应通常包括弹性和塑性变形的相互作用，以及颗粒之间的粘附力。这些特性不仅影响压缩过程的力学行为，还决定了粉末在卸载时的回弹能力。因此，开发一个能够准确捕捉这些行为的接触模型，对于理解粉末的宏观流动特性至关重要。当前的DEM接触模型大多基于简化的弹性假设，难以充分考虑塑性变形和粘附力的影响，从而限制了其在复杂压缩过程中的适用性。

QEPA模型的设计旨在克服现有模型的不足，通过引入弹塑粘附机制，使接触模型能够更真实地模拟粉末压缩过程中的多种物理现象。模型的构建基于对粉末压缩行为的深入研究，包括其在加载和卸载过程中的响应特征。通过结合经典压实理论和弹塑接触力学，QEPA模型不仅能够描述颗粒间的弹性和塑性变形，还能考虑粘附力在压缩过程中的作用。这一综合模型的提出，为更精确地模拟粉末压缩提供了新的思路。

为了验证QEPA模型的预测能力，本研究设计了三种互补的单孔压缩实验配置：单孔闭合压缩（SHCC）、单孔开放压缩（SHOC）和回弹验证实验。这些实验不仅能够评估模型在不同压缩阶段的表现，还能提供关于粉末材料在卸载过程中回弹特性的关键数据。在SHOC测试中，观察到了从压实到挤出的转变过程，而回弹验证实验则量化了粉末在卸载时的部分恢复行为。这些实验结果为模型的验证提供了坚实的基础。

在实际的DEM模拟中，QEPA模型被嵌入到模拟框架中，并通过与实验数据的系统比较来评估其预测性能。模拟结果显示，QEPA模型能够成功再现粉末压缩过程中的非线性压缩行为、挤出特征以及回弹效应。其中，预测的回弹位移与实验值之间的偏差仅为2.04%，表明模型在捕捉回弹行为方面具有较高的准确性。相比之下，Hertz模型和EEPA模型在模拟过程中表现出较大的误差，QEPA模型的总体模拟误差减少了52.51%。这一显著的改进说明QEPA模型在模拟粉末压缩过程时具有更高的可靠性和预测能力。

在粉末压缩过程中，颗粒间的相互作用受到多种因素的影响，包括颗粒的形状、尺寸分布、表面特性以及粘附力等。这些微观因素共同决定了粉末的宏观力学行为，如压实度、流动性和回弹特性。因此，为了更准确地模拟这些行为，DEM模型需要依赖于能够反映颗粒间真实接触特性的接触模型。现有的接触模型往往无法全面考虑弹塑变形和粘附力的综合影响，导致模拟结果与实验数据之间存在较大偏差。

QEPA模型的引入正是为了解决这一问题。该模型通过整合连续准静态接触模型、EEPA接触模型和粉末压实方程，构建了一个能够涵盖弹性、弹塑性、完全塑性和粘附阶段的统一框架。这一框架不仅能够描述颗粒在压缩过程中的非线性响应，还能模拟其在卸载时的回弹行为。通过将模型应用于DEM模拟，研究人员能够更精确地追踪颗粒的运动轨迹，并预测整个粉末系统的宏观力学响应。

在实验验证方面，SHCC和SHOC实验提供了关键的数据支持。SHCC实验主要用于评估粉末在闭合压缩状态下的压实特性，而SHOC实验则揭示了在开放压缩状态下粉末的挤出行为。这些实验不仅验证了QEPA模型在不同压缩条件下的适用性，还为模型的参数校准提供了依据。此外，回弹验证实验进一步确认了模型在模拟卸载过程中粉末回弹行为方面的准确性。这些实验结果表明，QEPA模型能够有效反映粉末在不同阶段的力学响应，从而为实际应用提供了可靠的理论基础。

除了实验验证，QEPA模型的参数校准过程也体现了其在模拟粉末压缩过程中的灵活性和适应性。传统的参数校准方法通常采用准静态材料测试协议，但这种方法忽略了瞬态应力生成机制和应力历史依赖性。而粉末材料的压实过程往往受到复杂的应力历史影响，因此，开发能够考虑这些因素的接触模型显得尤为重要。QEPA模型在参数校准过程中引入了对粘附力和塑性变形的综合考虑，使得模型能够更准确地反映粉末材料的真实行为。

在实际应用中，粉末压缩过程涉及多种复杂的物理机制，包括颗粒间的弹性变形、塑性流动以及粘附力的作用。这些机制在不同的压缩阶段表现出不同的行为特征，因此，一个能够涵盖所有这些阶段的接触模型对于准确模拟粉末压缩过程至关重要。QEPA模型通过将这些阶段纳入统一的框架，不仅提高了模拟的准确性，还增强了模型的预测能力，使其能够适用于更广泛的粉末压缩场景。

此外，QEPA模型的开发也推动了对粉末材料微观特性与宏观行为之间关系的理解。在粉末压缩过程中，颗粒的微观接触特性（如弹性模量、塑性变形能力、粘附力等）直接影响其宏观流动行为。因此，研究这些微观特性如何影响宏观行为，对于改进DEM模型的预测能力具有重要意义。QEPA模型通过整合这些微观特性，使其能够更全面地反映粉末压缩过程中的复杂行为，从而为相关领域的研究提供了新的工具。

总的来说，QEPA模型的提出和验证为粉末压缩过程的模拟提供了更准确和可靠的解决方案。该模型不仅能够捕捉粉末在压缩过程中的非线性响应，还能有效模拟其在卸载时的回弹行为。通过与Hertz和EEPA模型的比较，QEPA模型在模拟精度和预测能力方面表现出显著的优势。这些结果表明，QEPA模型为粉末压缩过程的模拟提供了一个稳健的框架，有助于更深入地理解粉末材料的力学行为，并为相关工业应用提供更可靠的理论支持。