【摘要】：激光增材制造技術(shù)是基于分層制造原理,利用材料逐層累積的方法,將CAD數(shù)字模型制造為實體零件的一種新型技術(shù)。與傳統(tǒng)切削技術(shù)相比,該技術(shù)具有易實現(xiàn)數(shù)字化制造、無需模具夾具、不受零件結(jié)構(gòu)的限制、材料利用率高等一系列優(yōu)點,在航空航天、汽車制造、電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。對于激光增材制造技術(shù)的研究,主要是研究其制造過程中溫度場的分布規(guī)律。但是由于實時測量熔池內(nèi)的溫度非常困難,從而導(dǎo)致溫度變化規(guī)律難以把握,并且需要大量的實驗才有可能發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。這樣就會付出很高的時間成本,因此通過實驗的手段對激光增材制造過程中的溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究,可操作性不強。數(shù)值模擬軟件的開發(fā),為解決這一問題提供了一種非常便捷的方法。本文選用ANSYS數(shù)值模擬軟件,利用其熱源移動技術(shù)和“生死單元”技術(shù)來模擬激光增材制造過程。首先對溫度場進(jìn)行有限元模擬計算,將溫度場模擬結(jié)果作為已知條件,通過間接耦合對應(yīng)力場應(yīng)變場進(jìn)行模擬計算,得到激光增材制造過程中零件的應(yīng)力/應(yīng)變演化規(guī)律。本文以長方體模型和薄壁圓筒模型的制造過程為模擬對象。保持激光功率、掃描速度、光斑直徑等參數(shù)不變,通過改變?nèi)鄹矊拥暮穸取⒛Ｐ颓实葏?shù),得到不同條件下的溫度場分布情況。從而模擬計算應(yīng)力場應(yīng)變場的分布規(guī)律,了解激光增材制造過程中溫度場的整體分布規(guī)律以及熔覆層厚度、零件曲率等參數(shù)對熔覆過程中溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場分布情況的影響規(guī)律。通過對模擬結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)溫度場的分布隨著熔覆層數(shù)的增加,是一個動態(tài)變化的過程。對于每一個坐標(biāo)點的金屬粉末,在時間維度上都存在一個溫度突變的過程,且溫度有兩次峰值會達(dá)到金屬粉末的熔化溫度,這樣可以使上下兩層對應(yīng)點的金屬粉末達(dá)到冶金結(jié)合。層厚的減小和曲率的產(chǎn)生會對熱量的傳遞產(chǎn)生明顯的影響,尤其是當(dāng)熔覆層的厚度減小時,有利于熱量的傳遞,但會增長熔覆時間,影響制造效率。在增材制造的零件體積較小,高度較低時,熱量的散失路徑主要為Z方向(高度增加的方向)散熱,導(dǎo)致Z方向的溫度梯度較大,在成型零件中易形成沿Z方向生長的柱狀晶。通過對應(yīng)力應(yīng)變場的模擬結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)由于在熔覆剛開始的時候,熔覆層與基板緊密連接,二者之間的熱傳導(dǎo)非常強烈,導(dǎo)致該處的溫度梯度非常高,而且由于基板對熔覆層的約束作用,從而會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,且以拉應(yīng)力為主。當(dāng)超過其屈服強度時,會導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形,當(dāng)超過其極限抗拉強度時,會導(dǎo)致熔覆零件在根部處產(chǎn)生裂紋。
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG665;TG132.3
【圖文】：

2.3.2 移動熱源的加載在激光增材制造過程中，激光熱源的位置隨時間不停的移動，金屬粉末也隨激光位置的改變在固液相之間發(fā)生動態(tài)變化，ANSYS 軟件主要通過“單元生死”技術(shù)來模擬實現(xiàn)這一動態(tài)過程。具體過程是將每一個單元按坐標(biāo)進(jìn)行編號，當(dāng)激光束照射到該單元時，通過“單元生死”功能將該單元激活，激活以后，該單元的溫度為熱源溫度，當(dāng)激光束移開該單元后，再通過“單元生死”功能將其殺死。這樣就模擬了這一動態(tài)過程。2.4 ANSYS 有限元模擬計算前處理2.4.1 幾何模型的建立有限元幾何模型的建立要根據(jù)實際模擬對象的形狀來進(jìn)行，要盡量保持幾何模型與實際零件的一致性。幾何模型圖如圖 2-1 所示。

圖 2-2 激光掃描路徑圖Fig.2-2 laser scanning path schematic劃分及單元類型的選擇計算中，幾何模型不能直接進(jìn)行計算，這就需要將幾何模型通元模型[51]。ANSYS 軟件中的網(wǎng)格劃分方法有兩種，分別為自劃分。自由網(wǎng)格劃分一般適用于所有形狀的幾何模型，對幾何定的要求。但是，經(jīng)過自由網(wǎng)格劃分以后，生成的內(nèi)部節(jié)點用坐標(biāo)比較隨意。映射網(wǎng)格劃分以后，每一個網(wǎng)格單元的形狀規(guī)算的進(jìn)行[52]。因此本文的有限元模擬選用映射網(wǎng)格劃分的方法言，網(wǎng)格劃分越細(xì)小，模擬結(jié)果精確度越高，但是求解計算時帶來很大的負(fù)擔(dān)，在綜合考慮計算精度與計算時間二者之間的，將熔覆層處的網(wǎng)格劃分的比較細(xì)小，將基板處的網(wǎng)格劃分的況如圖 2-3 所示。

圖 2-2 激光掃描路徑圖Fig.2-2 laser scanning path schematic2.4.2 網(wǎng)格劃分及單元類型的選擇在模擬計算中，幾何模型不能直接進(jìn)行計算，這就需要將幾何模型通過網(wǎng)格劃分轉(zhuǎn)化為有限元模型[51]。ANSYS 軟件中的網(wǎng)格劃分方法有兩種，分別為自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分一般適用于所有形狀的幾何模型，對幾何模型的具體形狀沒有特定的要求。但是，經(jīng)過自由網(wǎng)格劃分以后，生成的內(nèi)部節(jié)點用戶無法自己控制，節(jié)點坐標(biāo)比較隨意。映射網(wǎng)格劃分以后，每一個網(wǎng)格單元的形狀規(guī)律整齊，有利于模擬計算的進(jìn)行[52]。因此本文的有限元模擬選用映射網(wǎng)格劃分的方法。通常而言，網(wǎng)格劃分越細(xì)小，模擬結(jié)果精確度越高，但是求解計算時間會越長會給計算機帶來很大的負(fù)擔(dān)，在綜合考慮計算精度與計算時間二者之間的平衡后，在劃分網(wǎng)格時，將熔覆層處的網(wǎng)格劃分的比較細(xì)小，將基板處的網(wǎng)格劃分的尺寸較大網(wǎng)格劃分情況如圖 2-3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2788281