激光熔覆残余应力场的数值模拟

论文摘要

激光熔覆是在基体表面形成与基体相互熔合且具有完全不同成分与性能的合金覆层的先进技术。激光熔覆技术在新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造等领域得到了广泛的应用。激光熔覆过程中,材料经历快速熔化快速凝固过程,同时伴随着复杂的热物理过程和微观组织结构生成过程。由于激光熔覆过程中激光的热输入作用,必然导致工件内残余应力的产生。而残余应力的存在会严重影响工件的机械性能和使用寿命。同时应力的变化和分布难以通过试验的手段直接测得。因此,对温度场和应力场的数值模拟是获得温度信息和应力应变信息的有效方法。本文分别采用ANSYS软件和MSC.Marc软件,分别采用顺序耦合法和直接耦合法,建立了同步送粉激光熔覆过程应力场的有限元模型,并进行了仿真计算,主要内容如下:使用ANSYS参数化设计语言APDL,建立了同步送粉激光熔覆的有限元模型,定义了熔覆过程中的边界条件、相变潜热、随温度变化的热物性参数等。采用ANSYS的生死单元方法模拟粉末落入熔池的过程。模拟工作首先进行了一个非线性的瞬态热传导过程分析,得到了激光熔覆过程温度场的分布。然后在温度场的基础上,通过单元转换,把热分析模型转换为结构分析模型,进行一个准稳态的弹塑性力学分析,得到了工件上残余应力的分布,并对应力场模拟结果进行了分析。使用MSC.Marc非线性有限元通用分析软件建立了同步送粉激光熔覆的热力耦合数值模型。采用热弹塑性直接耦合有限元方法,在考虑了材料性能参数随温度变化的情况下,对激光熔覆以及后续冷却过程中的应力变化、应力分布等进行了分析。分别考察了工件表面和深度方向两条路径上的应力分布情况。结果表明,熔覆层内存在残余拉应力,且纵向拉应力远大于横向拉应力,纵向残余拉应力是造成熔覆层开裂的主要原因。在熔覆层内,VonMises应力的大小接近材料的屈服应力。建立了不同扫描速度下激光熔覆温度场和应力场模型,模拟得到了不同扫描速度下的温度场和应力场分布。结果表明:随着扫描速度的增大,熔覆层表面的等效VonMises应力峰值也随之增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 激光熔覆技术及其应用
• 1.1.1 激光熔覆的特点
• 1.1.2 激光熔覆技术的应用
• 1.2 激光熔覆数值模拟的研究概况
• 1.2.1 激光熔覆温度场的研究现状
• 1.2.2 激光熔覆应力场的研究现状
• 1.3 主要研究内容和意义
• 1.3.1 研究的内容
• 1.3.2 研究的意义
• 第2章 激光熔覆残余应力数值模拟理论基础和实验条件
• 2.1 数值分析方法及有限元软件
• 2.2 热传导分析的有限元法
• 2.2.1 温度场概述
• 2.2.2 热传导问题的数学描述
• 2.2.3 热传导问题的有限元法
• 2.3 热弹塑性的有限元法
• 2.3.1 激光熔覆力学准则
• 2.3.2 热力耦合分析
• 2.4 残余应力测试方法
• 2.4.1 X 射线衍射法测定残余应力
• 第3章 间接耦合法残余应力数值模拟
• 3.1 Ansys 软件简介
• 3.1.1 ANSYS 软件的结构
• 3.1.2 APDL 语言介绍
• 3.2 激光熔覆模型的建立
• 3.2.1 材料模型的建立
• 3.2.2 几何模型的建立
• 3.2.3 边界条件和初始条件
• 3.2.4 单元类型选择及网格划分
• 3.2.5 移动热源载荷施加
• 3.3 温度场计算结果的分析讨论
• 3.3.1 温度场的求解
• 3.3.2 激光熔覆热循环曲线
• 3.4 基于ANSYS 的激光熔覆应力场模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 直接耦合法残余应力数值模拟
• 4.1 Msc.Marc 软件介绍
• 4.2 基于Marc 的激光熔覆过程热力耦合数值模拟
• 4.2.1 激光熔覆有限元模型的建立
• 4.3 激光熔覆过程温度场结果分析
• 4.4 激光熔覆过程应力场结果分析
• 4.4.1 沿工件表面和工件纵截面垂直于激光扫描方向路径上的应力分布
• 4.4.2 不同扫描速度下工件表面路径上的应力分布
• 4.5 激光熔覆试验以及残余应力测定
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果