激光表面改性温度场与应力场模拟及实验研究

论文摘要

在激光表面改性实验研究的基础上,本文采用ANSYS软件,分别分析了激光淬火、激光-感应复合熔覆的温度场和应力场。通过ANSYS有限元软件,分析了不同工艺参数下,45#钢在CO2激光淬火后的温度场与淬火深度的关系,并以实验数据为依据,利用ANSYS有限元分析软件模拟不同转换系数下的温度分布及淬火深度,在与实验数据比较后,得出激光淬火吸光涂料的合理转换系数为0.78。分析了CL60钢表面定点高斯圆形光斑激光淬火温度场与淬火深度的关系;对于均匀矩形移动光斑情况下的2Cr13钢激光相变强化,模拟分析了激光功率、光斑大小、激光移动速度等参数对淬火深度的影响规律,并将模拟结果与实验数据进行了对比验证。建立了电磁感应和激光双热源的热耦合模型,比较了单纯激光熔覆与激光-感应复合熔覆三维温度场及应力场的差别。模拟结果表明,激光-感应复合熔覆与单纯的激光熔覆相比,不仅效率得到较大提高,而且可以显著降低熔覆层的残余应力。对于厚度50mm的45#钢,数值模拟结果表明,激光-感应复合熔覆层的最大残余应力比单纯激光熔覆层低60%以上;在相同工艺条件下,宽板激光熔覆层的残余应力比窄板激光熔覆层的应力大约14MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 激光表面改性温度场、应力场模拟的国内外研究现状
• 1.3 研究内容及课题意义
• 2 数值模拟过程中的关键问题
• 2.1 模拟单元选取
• 2.2 激光光源模型
• 2.3 激光与粉末的作用
• 2.4 相变潜热与熔化潜热
• 2.5 生死单元的应用
• 2.6 边界条件处理
• 2.7 分析模型建立及网格划分
• 2.8 热源移动APDL 程序设计
• 3 激光表面硬化处理实验及数值模拟
• 3.1 传热温度场数学方程
• 3.2 移动高斯光束条件下45 钢激光淬火实验及模拟分析
• 3.3 固定光斑高斯光束激光强化实验及模拟分析
• 3.4 矩形光斑激光淬火实验及模拟分析
• 4 激光-感应复合熔覆实验及数值模拟分析
• 4.1 实验过程
• 4.2 激光-感应复合温度场的耦合
• 4.3 激光感应复合熔覆温度场的模拟分析
• 4.4 激光-感应复合熔覆层应力场求解
• 4.5 大拘束激光-感应复合熔覆层应力分析
• 5 结论及展望
• 致谢
• 参考文献