本文關鍵詞：激光熔凝和激光熔覆的數學模型及數值分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《燕山大學》 2010年

激光直接成形瞬態(tài)溫度場的數值模擬

李建光  

【摘要】： 激光直接成形技術(LDF—Laser Direct Forming)是基于離散/堆積成形思想的新型制造技術,該技術是快速制造技術(RM—Rapid Manufacturing)的一種常用技術,也是目前主要采用的金屬零件激光快速成型技術。RM技術與快速原型技術(RP—Rapid Prototyping)一起(通常稱為RP/RM)被認為是近年來制造技術領域的一次重大突破,其對制造業(yè)的影響可與數控技術的出現(xiàn)相媲美。 RP/RM技術不同于傳統(tǒng)的零件加工方法,而是根據虛擬三維實體模型生成的分層信息,在計算機的控制下,逐點逐層(道)堆積并最終成形出所需的零件。金屬零件激光直接成形過程中的溫度場、熱應力場的研究是國家“973”新材料領域計劃項目中的重要研究內容。 本文圍繞著激光直接成形的溫度場、熱應力場和位移場的有限元數值模擬展開研究,完成了如下研究內容: (1)恰當地建立了激光直接成形的溫度場、熱應力場和位移場的有限元模型。 (2)處理了溫度場模擬過程中部分高溫物性參數,使溫度場模擬時物性參數的選取更合目的性,更為精確。 (3)在連續(xù)移動三維瞬態(tài)激光熔池溫度場有限元模擬的基礎上,利用ANSYS有限元軟件中的‘生死單元’技術,建立了金屬薄壁零件激光直接成形過程的三維瞬態(tài)溫度場有限元計算模型,模擬了不同工藝參數下該過程的溫度場,分析了成形過程中基板及熔覆層溫度的變化,獲得了激光直接成形的溫度變化規(guī)律。 (4)利用ABAQUS軟件解決了部分特殊工藝特征點在熱應力場和位移場模擬過程中的處理與實現(xiàn)問題。通過模擬得出了多道激光熔覆過程中基板溫度場、應力場、位移場的分布及變化規(guī)律。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TG665
【目錄】：

摘要4-5

Abstract5-10

第1章 緒論10-18

1.1 研究背景10

1.2 激光直接成形技術簡介10-12

1.3 激光直接成形過程溫度場數值模擬的研究情況12-16

1.3.1 研究現(xiàn)狀12-16

1.3.2 目前存在的主要問題16

1.4 研究內容16-17

1.5 研究目的17-18

第2章 激光直接成形溫度場求解的基本理論18-31

2.1 熱源模型18-20

2.1.1 經典的解析熱源模型18-20

2.1.2 有限元法建立熱源模型20

2.2 金屬粉末輸送過程對激光吸收率的影響20-21

2.3 溫度場與導熱微分方程21-25

2.4 熱對流與輻射25-27

2.4.1 熱對流25-26

2.4.2 熱輻射26-27

2.5 溫度場邊界條件27-30

2.6 本章小結30-31

第3章 激光直接成形溫度場的數值模擬31-66

3.1 有限元軟件簡介及溫度場數值模擬的意義31-32

3.1.1 商用軟件概況31

3.1.2 溫度場數值模擬的意義31-32

3.2 激光直接成形瞬態(tài)溫度場數值模擬的算法思想32-33

3.3 激光直接成形金屬零件瞬態(tài)溫度場模擬33-48

3.3.1 激光直接成形金屬零件的有限元模型33-34

3.3.2 激光直接成形溫度場邊界條件34-36

3.3.3 材料比熱的選擇與處理36-48

3.4 激光直接成形瞬態(tài)溫度場的特點48-55

3.5 工藝參數對激光直接成形瞬態(tài)溫度場的影響55-64

3.5.1 激光功率對溫度場的影響55-59

3.5.2 掃描速度對溫度場的影響59-61

3.5.3 光斑直徑對溫度場的影響61-63

3.5.4 基板尺寸對溫度場的影響63-64

3.6 本章小結64-66

第4章 激光表面熔覆應力場和變形的數值模擬66-98

4.1 前言66

4.2 熱應力場數值模擬66-74

4.2.1 熱應力場數值模擬的特點66-67

4.2.2 熱彈—塑性有限元基本方程67-74

4.3 位移場數值模擬74-76

4.3.1 有限元基本方程74-76

4.3.2 應力場數值模擬與溫度數值模擬的關系76

4.4 模型的建立76-79

4.4.1 幾何模型的建立76-77

4.4.2 邊界條件的確定77-78

4.4.3 計算模型中材料熱物性參數78-79

4.5 激光表面熔覆的溫度場分析79-86

4.5.1 激光功率對溫度場的影響79-81

4.5.2 掃描路徑對溫度場的影響81-84

4.5.3 掃描速度對溫度場的影響84-86

4.6 多道熔覆應變場、應力場和位移場的分析86-97

4.6.1 激光功率對熔覆道中點應變的影響86-87

4.6.2 掃描路徑對熔覆道中點應變的影響87-89

4.6.3 掃描速度對多道熔覆過程中應變場的影響89-90

4.6.4 掃描路徑對熔覆道中點應力的影響90-91

4.6.5 掃描速度對應力場的影響91-92

4.6.6 激光功率對應力場的影響92-93

4.6.7 激光功率對位移場的影響93-94

4.6.8 掃描路徑對位移場的影響94-96

4.6.9 掃描速度對位移場的影響96-97

4.7 本章小結97-98

結論98-99

參考文獻99-106

攻讀碩士學位期間承擔的科研任務與主要成果106-107

致謝107-108

作者簡介108

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本文編號：202672