【摘要】：激光熔凝是一種材料表面強化技術(shù)。加工過程中工件表面有一定厚度的材料發(fā)生快速熔化和凝固,熔凝后形成的新組織的性能決定了激光熔凝加工的質(zhì)量。根據(jù)凝固的相關(guān)理論,溫度場是影響熔凝層新組織形成、殘余應(yīng)力和熱變形的關(guān)鍵因素;同時,激光熔凝過程形成的熔池形狀也在一定程度上也代表著加工的質(zhì)量。數(shù)值模擬技術(shù)是獲取整體溫度場的有效手段,廣泛應(yīng)用在激光熔凝過程的模擬上。但激光與材料的交互作用非常復(fù)雜,影響激光吸收率的因素很多,如激光波長、材料表面狀況、表面溫度等,加上實際過程中工藝參數(shù)的多變和處理材料的多樣化,導(dǎo)致了材料表面實際吸收的激光熱量作為數(shù)值模擬的邊界條件難以準(zhǔn)確獲知。本文采用傳熱反問題方法基于實測溫度反演了該過程的熱流邊界條件,重構(gòu)了溫度場,并得到了熔池形狀。針對激光熔凝過程熱邊界條件反演和溫度場重構(gòu)研究的現(xiàn)狀及存在的主要問題,本文結(jié)合有限容積法(焓模型)和基于動態(tài)矩陣控制(DMC)的反演算法研究了該過程的熱流邊界反演和溫度場重構(gòu)問題。主要工作包括:(1)建立了激光熔凝傳熱過程的數(shù)學(xué)模型,采用焓方法對該過程的相變潛熱進行了處理,并利用有限容積法數(shù)值求解了導(dǎo)熱微分方程,得到了溫度場分布;用有限元模擬軟件ANSYS的模擬結(jié)果對自編程序的適用性進行了驗證;討論了激光熱源形式和材料對激光的吸收率對溫度場和熔池形狀的影響。結(jié)果表明,熱源形式和激光吸收率對溫度場和熔池形狀有較大的影響。(2)在采用有限容積法和焓法求解正問題的前提下,基于DMC反演算法建立了相變導(dǎo)熱過程的熱流邊界反演模型;針對非線性情況下的關(guān)系矩陣的變化,采用近似替代法更新了反演過程中的關(guān)系矩陣,避免了非線性傳熱反問題的迭代計算;(3)對激光熔凝過程的熱流邊界條件反演進行了仿真實驗,驗證了本文建立的反演模型的正確性和適用性;討論了未來時間步、正則化參數(shù)、溫度測量誤差、時變熱源、脈沖熱源和溫度測點位置對反演結(jié)果的影響。仿真實驗結(jié)果表明,未來時間步的選取對反演結(jié)果影響不大;正則化參數(shù)的選取對反演結(jié)果影響較大,采用溫度殘差原理可以選擇合適的正則化參數(shù);溫度測量誤差對反演結(jié)果有較大的影響,測量誤差越大,反演結(jié)果越差,在一定的誤差范圍內(nèi)可以得到比較滿意的反演結(jié)果;本文建立的反演模型能夠有效反演恒定熱源、時變熱源和脈沖熱源,并在一定的溫度測量誤差條件下能夠得到比較滿意的反演結(jié)果;溫度測點位置對反演結(jié)果有較大影響,位置越靠近熱源,反演結(jié)果越好。通過對各個影響因素的討論,證明了本文所建反演模型的有效性。
【圖文】：

圖 2.1 激光熔凝示意圖Fig2.1 Diagram of laser melting圖 2.2 激光熔凝過程的二維軸對稱模型Fig2.2 2D axisymmetric model of laser melting process

圖 2.2 激光熔凝過程的二維軸對稱模型Fig2.2 2D axisymmetric model of laser melting process究對象為靜態(tài)激光熔凝模型，根據(jù)上述分析，對流效應(yīng)在本導(dǎo)熱模型在很多情況下是適用的，同時考慮變化的熱物性參影響�；谏鲜黾僭O(shè)和說明，建立數(shù)學(xué)模型如下： 1c + ( , , )T T TT r T T Q r zr r r z z 為密度，，c 為比熱容， 為導(dǎo)熱系數(shù)， 為時間， Q ( r , z , 熱源。 104 4:( , ) ( )+f s fTq r t h T T T Tz 4244 0: ()+f s fTh T T T Tn
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG665

【參考文獻】

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本文編號：2616688