發(fā)布時(shí)間：2017-04-20 14:07

  本文關(guān)鍵詞：送粉式激光熔覆成形三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來，送粉式激光熔覆成形技術(shù)在金屬零件成形及修復(fù)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。由于激光熔覆成形是一個(gè)復(fù)雜的物理及冶金過程，影響成形質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，成形質(zhì)量難以控制。激光熔覆成形溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，特別是成形過程的溫度梯度、冷卻速率和應(yīng)力分布對(duì)熔覆層質(zhì)量和裂紋的形成有著直接影響。但是，由于送粉式激光熔覆成形過程是一個(gè)急速的熔化及凝固過程，采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量熔池溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律十分困難。因此，本文采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)送粉式激光熔覆成形過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究，，以揭示激光熔覆成形組織生長(zhǎng)形態(tài)及熔覆層裂紋的形成機(jī)理。 首先，采用有限元分析軟件ANSYS的APDL語(yǔ)言進(jìn)行參數(shù)化編程，建立了送粉單道、多道搭接及單道多層激光熔覆成形過程的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元模型。分析了熔覆成形過程熔覆層溫度場(chǎng)分布、不同節(jié)點(diǎn)的溫度—時(shí)間歷程及溫度變化規(guī)律、熔池輪廓的變化，并確定了一種測(cè)量熔池深度的方法。研究結(jié)果表明：熔覆層溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)不同的特征，不同節(jié)點(diǎn)的溫度—時(shí)間歷程呈周期性變化。熔覆層端點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的最高溫度高于中間部位節(jié)點(diǎn)的最高溫度，存在“端部效應(yīng)”。激光熔覆成形過程具有很高的溫度梯度及冷卻速率，分別達(dá)到10~5℃/s及10~3℃/s，通過對(duì)熔覆層不同深度節(jié)點(diǎn)溫度梯度的分析，研究了熔覆過程溫度梯度的分布情況對(duì)熔覆層組織及生長(zhǎng)方向的影響。模擬分析了激光工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆成形過程溫度場(chǎng)的影響，為送粉式激光熔覆成形工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 其次，在溫度場(chǎng)有限元模擬分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了送粉式多層激光熔覆成形熱—力耦合分析。結(jié)果表明：沿激光掃描方向(X軸正向)拉應(yīng)力最大，因此，熔覆層裂紋多垂直于結(jié)合面而垂直開裂；在熔覆層與基體交界處及熔覆層端部應(yīng)力較大，是裂紋的高發(fā)區(qū)。通過對(duì)熔覆層某節(jié)點(diǎn)三個(gè)方向上的塑性應(yīng)變進(jìn)行分析，揭示了激光熔覆層裂紋的兩種形態(tài)：熱裂紋和固態(tài)冷卻裂紋，并分析了影響裂紋形成的因素，為減少和消除熔覆層裂紋提供了理論基礎(chǔ)。 最后，通過激光熔覆成形試驗(yàn)，對(duì)激光熔覆成形組織和開裂行為進(jìn)行了分析，所得結(jié)果與溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。
【關(guān)鍵詞】：激光熔覆成形 溫度場(chǎng) 應(yīng)力場(chǎng) 數(shù)值模擬 溫度梯度 裂紋
【學(xué)位授予單位】：太原科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TG665
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 激光熔覆成形概述9-13
• 1.2.1 激光熔覆成形的原理9-10
• 1.2.2 激光熔覆成形技術(shù)的特點(diǎn)10-11
• 1.2.3 激光熔覆成形技術(shù)的應(yīng)用11-13
• 1.2.4 激光熔覆成形技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向13
• 1.3 激光熔覆成形溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的研究狀況13-16
• 1.3.1 激光熔覆成形溫度場(chǎng)數(shù)值模擬國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展13-15
• 1.3.2 激光熔覆成形溫度場(chǎng)數(shù)值模擬存在的問題及發(fā)展方向15-16
• 1.4 選題背景及意義16-17
• 1.5 主要研究的內(nèi)容17-19
• 第二章 送粉式激光熔覆成形溫度場(chǎng)有限元模型的建立19-33
• 2.1 有限元概述19-20
• 2.1.1 基本問題19
• 2.1.2 有限元分析法的原理19
• 2.1.3 送粉式激光熔覆成形溫度場(chǎng)數(shù)值模擬有限元軟件的選擇19-20
• 2.2 激光熔覆成形過程傳熱模型20-21
• 2.2.1 激光熔覆成形過程的熱傳導(dǎo)20-21
• 2.2.2 激光熔覆成形過程的熱對(duì)流21
• 2.2.3 激光熔覆成形過程的熱輻射21
• 2.3 粉末與激光相互作用的模型21-24
• 2.3.1 遮光率22-23
• 2.3.2 粉末溫升的數(shù)學(xué)模型23-24
• 2.4 激光熱源模型24-25
• 2.4.1 解析式激光熱源模型24-25
• 2.4.2 本文激光熱源模型的建立25
• 2.5 送粉式激光熔覆成形溫度場(chǎng)有限元模型的建立25-31
• 2.5.1 單元類型的選擇26
• 2.5.2 有限元模型簡(jiǎn)化的原則26
• 2.5.3 材料的選取及其熱物性參數(shù)26-27
• 2.5.4 能量平衡方程與邊界條件27-28
• 2.5.5 幾何模型的建立28-30
• 2.5.6 劃分網(wǎng)格30-31
• 2.6 生死單元技術(shù)31-32
• 2.7 激光熱源的加載與移動(dòng)32
• 2.8 本模型的參數(shù)化特征32
• 2.9 本章小結(jié)32-33
• 第三章 送粉式激光熔覆成形溫度場(chǎng)有限元模擬結(jié)果分析33-57
• 3.1 激光工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響33-41
• 3.1.1 激光功率對(duì)溫度場(chǎng)的影響33-36
• 3.1.2 激光掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響36-39
• 3.1.3 激光半徑尺寸對(duì)溫度場(chǎng)的影響39-41
• 3.1.4 最佳激光熔覆成形工藝參數(shù)41
• 3.2 送粉式單道激光熔覆溫度場(chǎng)有限元模擬結(jié)果分析41-42
• 3.3 送粉式多道搭接激光熔覆溫度場(chǎng)有限元模擬結(jié)果分析42-50
• 3.3.1 溫度場(chǎng)分布42-43
• 3.3.2 沿激光掃描方向熔覆層表面取樣點(diǎn)溫度—時(shí)間歷程分析43-45
• 3.3.3 節(jié)點(diǎn)溫度梯度分析45-46
• 3.3.4 節(jié)點(diǎn)冷卻速率分析46-48
• 3.3.5 熔池深度及熔池輪廓的分析48-49
• 3.3.6 多道搭接熔覆重熔現(xiàn)象的分析49-50
• 3.4 送粉式多層激光熔覆成形溫度場(chǎng)有限元模擬結(jié)果分析50-54
• 3.4.1 溫度場(chǎng)分布50-51
• 3.4.2 特征點(diǎn)溫度-時(shí)間歷程分析51-52
• 3.4.3 節(jié)點(diǎn)溫度梯度分析52-54
• 3.4.4 節(jié)點(diǎn)冷卻速率分析54
• 3.5 本章小結(jié)54-57
• 第四章 送粉式激光熔覆成形熱力耦合的數(shù)值模擬57-65
• 4.1 激光熔覆成形應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬求解過程58-59
• 4.1.1 單元類型的轉(zhuǎn)換58
• 4.1.2 邊界條件的設(shè)定及溫度場(chǎng)結(jié)果的讀取58
• 4.1.3 材料的力學(xué)性能參數(shù)58-59
• 4.2 送粉式激光熔覆成形應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析59-64
• 4.2.1 熔覆層某一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間歷程分析59-60
• 4.2.2 激光熔覆成形中的應(yīng)變分析60-63
• 4.2.3 裂紋產(chǎn)生機(jī)理及其影響因素63-64
• 4.3 本章小結(jié)64-65
• 第五章 送粉式多層激光熔覆成形熔覆層微觀組織分析65-69
• 5.1 激光熔覆中的固液界面轉(zhuǎn)變65-66
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)65
• 5.1.2 結(jié)果與分析65-66
• 5.2 激光熔覆中的枝晶生長(zhǎng)現(xiàn)象66-67
• 5.3 本章小結(jié)67-69
• 第六章 結(jié)論與展望69-71
• 參考文獻(xiàn)71-75
• 致謝75-77
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文77-78

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 郝南海,陸偉,左鐵釧;激光熔覆過程熱力耦合有限元溫度場(chǎng)分析[J];中國(guó)表面工程;2004年06期

2 曾大文,謝長(zhǎng)生;激光熔池質(zhì)場(chǎng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及展望[J];材料導(dǎo)報(bào);1998年02期

3 張永忠,席明哲,石力開,程晶,徐駿;激光快速成形316L不銹鋼研究[J];材料工程;2002年05期

4 鄧琦林;熊忠琪;周春燕;高賓;;激光熔覆修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究[J];電加工與模具;2008年06期

5 陳國(guó)琳;吳鵬煒;冷文軍;吳蘭鷹;王自東;;鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J];艦船科學(xué)技術(shù);2009年12期

6 席明哲,虞鋼;連續(xù)移動(dòng)三維瞬態(tài)激光熔池溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J];中國(guó)激光;2004年12期

7 李磊;周晚林;HUSSAING;;金屬板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形極限的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2010年18期

8 張森林;;普通機(jī)床故障形成過程與特性分析的探討[J];農(nóng)機(jī)使用與維修;2006年06期

9 肖永恒,胡傳順,周旭輝;電子束焊溫度場(chǎng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J];石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào);2002年02期

10 馬德堂,朱光明;有限元法與偽譜法混合求解彈性波動(dòng)方程[J];地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào);2004年01期

  本文關(guān)鍵詞：送粉式激光熔覆成形三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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