等離子熔積快速制造是基于層積成形原理,采用高能量密度的等離子弧熔化金屬粉末,在基板上按照數(shù)字化設(shè)定的軌跡逐層堆積金屬零件的技術(shù)。該技術(shù)適合高熔點(diǎn)金屬零件的快速制造,受到人們的廣泛關(guān)注。熔積成形的技術(shù)關(guān)鍵是成形性與熱應(yīng)力的控制,而這些與成形過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)緊密相關(guān)。因此,有必要系統(tǒng)研究工藝條件對(duì)熔積成形溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律,進(jìn)而研究其對(duì)零件成形質(zhì)量的影響。本文基于傳熱學(xué)和熱彈塑性理論,結(jié)合等離子熔積過(guò)程的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了高溫合金熔積過(guò)程的數(shù)值模擬。研究重點(diǎn)是建立熔積層單元按照設(shè)定軌跡自動(dòng)激活的生長(zhǎng)模型和移動(dòng)熱源條件下動(dòng)質(zhì)傳熱過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算模型。首先,在考慮熔池表面張力的影響下,擬合出熔積層表面幾何形貌的曲線(xiàn)方程,建立熔積層幾何模型。其次,利用通用有限元軟件ANSYS,將幾何模型劃分為能夠進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)弱耦合計(jì)算的六面體網(wǎng)格單元,生成有限元模型,計(jì)算熔積單元激活生長(zhǎng)順序; 根據(jù)高斯熱源模型計(jì)算熔積過(guò)程中的熱流輸入,建立較為全面和準(zhǔn)確的熱量輸入模型。最后,使用APDL 語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā),編寫(xiě)熔積過(guò)程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬程序。在數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)上,以鎳基高溫合金材料為例,分析了... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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等離子熔積成形傳熱示意圖

弧熱源的移動(dòng)，整個(gè)工件的溫度隨時(shí)間和空間急劇變劇烈變化，同時(shí)還存在熔融和凝固時(shí)相變潛熱。因此性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。積成形的溫度場(chǎng)計(jì)算模型移動(dòng)熱源的計(jì)算模型化的溫度場(chǎng)的主要原因是高能束的移動(dòng)熱源，所以首先離子熔積成形的移動(dòng)熱源與焊接熱源一樣，都具有集中時(shí)間梯度都很大的不均勻溫度場(chǎng)，而正是這種不均勻溫變形的根本原因。本文根據(jù)等離子弧能量集中的特點(diǎn)選]中提及高斯熱源模型作為等離子弧的熱輸入方式的描述而得到較理想的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值結(jié)果。

12345是實(shí)際要加載的熱流密度，單位為 w/m2。際模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)如圖 3-1 所示的高斯熱源模型需要在空間上分得很細(xì)，在時(shí)間上也要很多時(shí)間步進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算量實(shí)際構(gòu)件的成形工藝，需要在高斯熱源基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)以簡(jiǎn)程可知，非均勻溫度場(chǎng)主要由于移動(dòng)熱源高度集中、瞬時(shí)加分成若干段，在每一段（熱源在 Z 軸方向移動(dòng)距離 d）內(nèi)的如圖 3-2 所示的分段熱源模型，再沿熔積軌跡順序依次加熱劃分為一個(gè)時(shí)間步，避免了描述點(diǎn)狀熱源在該段內(nèi)移動(dòng)所需計(jì)算量。而且這種模型允許用較大的網(wǎng)格．可進(jìn)一步縮短計(jì)分段熱源模型，可假設(shè)在某段中的單元內(nèi)同時(shí)加上高斯熱源其熱流密度分布如圖 3-2。這種段狀熱源加熱時(shí)間可以通過(guò)由兩者加工時(shí)輸入的熱量相等求出。

【參考文獻(xiàn)】：
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