本文關(guān)鍵詞：基于有限元模擬的TC4鈦合金SEBM人工股骨干組織與力學(xué)分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本文設(shè)計并利用選區(qū)電子束熔化成型技術(shù)(SEBM)打印了TC4鈦合金人工股骨干,并針對其組織和力學(xué)特性,借助有限元模擬方法開展相關(guān)的研究工作。通過模擬得到試驗中難以觀察和測量的數(shù)據(jù),進而幫助加深對SEBM過程的理解,分析SEBM人工股骨干的組織和受力特點。為SEBM過程的研究提供理論支持,對工藝參數(shù)的優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計給予指導(dǎo)性建議。本文首先設(shè)計并使用Arcam Q20電子束熔化成型系統(tǒng)打印了TC4人工股骨干,采用金相和SEM手段對成型件表面和微觀組織進行觀察,成型件表面較為粗糙并有粉末顆粒燒結(jié),內(nèi)部有一些孔洞缺陷;成型件宏觀組織為定向生長穿過整個成型件的柱狀晶,微觀組織為魏氏組織。其次,為了分析工藝過程成型件微觀組織產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的機制,以及柱狀晶定向生長的機理和影響因素。測得了隨溫度變化的TC4粉末的熱物理性能,并利用Marc及Fortran二次開發(fā)對SEBM熱過程進行了有限元模擬,并從熱力學(xué)角度進行了分析和解釋。根據(jù)模擬結(jié)果,SEBM是一個快速升溫和降溫的過程,成型過程存在著較大的溫度梯度。從熱循環(huán)曲線來看,第n+1道掃描和第n+2道掃描都會對第n道形成的凝固組織產(chǎn)生影響,使其溫度超過相轉(zhuǎn)變溫度,同時下一層的掃描也會對第n道產(chǎn)生相同影響。通過對比不同工藝參數(shù)下的熔池形貌,從理論上實現(xiàn)了對熔池以及柱狀晶生長方向的控制。最后,根據(jù)實際工況對SEBM人工股骨干的力學(xué)性能從靜力分析和模態(tài)分析兩方面進行研究。對比了傳統(tǒng)人工股骨干與SEBM人工股骨干在集中力載荷下的力學(xué)表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)SEBM人工股骨干由于其圓滑的外表使其在與骨水泥連接處的靜力學(xué)表現(xiàn)上好于傳統(tǒng)人工股骨干,應(yīng)力集中不明顯。但在骨曲柄與股骨干連接處的外凸式設(shè)計,使其在該處的等效應(yīng)力大于內(nèi)凹式的。在人工關(guān)節(jié)模態(tài)分析方面,獲得了6階頻率與振型,并標注了各階模態(tài)的振幅較大的位置。為以后的動態(tài)載荷分析工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：SEBM TC4人工股骨干 有限元模擬
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.23;R318.08
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 課題的研究目的和意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-17
• 1.2.1 SEBM工藝的研究現(xiàn)狀10-14
• 1.2.2 SEBM過程模擬的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.2.3 人工髖關(guān)節(jié)的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 本課題的主要研究內(nèi)容17-18
• 第2章 試驗條件、方法及軟件選取18-24
• 2.1 試驗材料18
• 2.2 試驗設(shè)備及原理18-22
• 2.2.0 試驗設(shè)備18-20
• 2.2.1 試驗過程20-21
• 2.2.2 粉末材料熱物理性能測試21
• 2.2.3 組織分析21-22
• 2.3 模擬方法簡介及主要軟件選擇22-24
• 2.3.1 有限元法簡介22
• 2.3.2 MSC.Marc簡介22-23
• 2.3.3 MSC.Nastran簡介23-24
• 第3章 SEBM過程分析及試驗24-32
• 3.1 引言24
• 3.2 SEBM的物理現(xiàn)象分析24-25
• 3.3 SEBM試驗及組織分析25-29
• 3.3.1 人工股骨干的打印25-26
• 3.3.2 顯微組織與缺陷觀察26-29
• 3.4 物理性能參數(shù)的確定29-30
• 3.5 本章小結(jié)30-32
• 第4章 SEBM熱過程模擬及結(jié)果分析32-47
• 4.1 前言32
• 4.2 有限元模型的建立32-35
• 4.2.1 幾何模型的建立32-33
• 4.2.2 熱源模型的建立33-34
• 4.2.3 初始條件及邊界條件的定義34-35
• 4.3 溫度場結(jié)果與分析35-43
• 4.3.1 溫度場特征與組織成因分析35-39
• 4.3.2 掃描速度對溫度場及晶粒生長的影響39-41
• 4.3.3 電子束功率對溫度場的影響41-43
• 4.4 多層多道掃描溫度場模擬結(jié)果與分析43-46
• 4.5 本章小結(jié)46-47
• 第5章 人工股骨干力學(xué)分析47-59
• 5.1 引言47
• 5.2 人工股骨干有限元模型的建立47-49
• 5.2.1 兩種不同的人工股骨干幾何模型的建立47-48
• 5.2.2 材料參數(shù)及邊界條件48-49
• 5.3 靜力學(xué)分析49-55
• 5.3.1 傳統(tǒng)人工股骨干與SEBM人工股骨干的靜力分析49-53
• 5.3.2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的影響53-55
• 5.4 人工股骨干模態(tài)分析55-57
• 5.4.1 模態(tài)分析的意義55
• 5.4.2 模態(tài)計算結(jié)果與分析55-57
• 5.5 本章小結(jié)57-59
• 結(jié)論59-60
• 參考文獻60-65
• 致謝65

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 王華明;張述泉;王向明;;大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進展與挑戰(zhàn)(邀請論文)[J];中國激光;2009年12期

2 白木,周潔;金屬鈦的性能、發(fā)展與應(yīng)用[J];礦業(yè)快報;2003年05期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 朱妙鳳;電子束快速成型及其溫度場模擬[D];上海交通大學(xué);2008年

  本文關(guān)鍵詞：基于有限元模擬的TC4鈦合金SEBM人工股骨干組織與力學(xué)分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：307851