喷射成形制备管状坯形貌的计算机模拟

论文摘要

基于固定式多喷嘴喷射成形开发测试设备，建立管状沉积坯形貌预测模型。在分析雾化流沉积特性的基础上对沉积基底的运动参数进行优化，并模拟不同雾化喷嘴条件下管状沉积坯的生长过程及形貌。分析比较计算结果，探讨具有不同倾角的雾化器对于沉积坯形貌的影响规律和机理。首先，根据雾化器与基底之间运动的相对性简化了建模难度，计算出各时刻沉积点所对应的喷射距离h和沉积半径r，通过引入判断沉积点屏蔽情况的“BFC+形貌函数”法并进行沉积节点的坐标追踪，建立了预测管状坯形貌的数学模型。分析了雾化流在沉积表面的螺旋轨迹以及叠加特性，得出了优化沉积基底运动参数（u, ω）的基本条件：当基底平移速度u与旋转速度ω满足关系式u/ω≤dmax/2π时，在沉积面内可形成表面连续的质量分布，并有利于形貌连续的沉积坯的生成。其中，dmax为能够在沉积表面形成连续质量分布时的沉积轨迹极限螺距，要求在最小雾化器倾角（同时使用两个以上雾化器时）和沉积终点喷射距离hf条件下计算得出。最后，模拟计算了不同喷嘴组合条件下7075铝合金管坯的形貌及其生长过程。研究结果表明：当使用具有倾角的喷嘴（β≠0）进行喷射时，由于在沉积表面的质量分布对称性受到影响，单一沉积层的厚度不均匀，所制备的管坯过渡区长度明显增加，有效稳定生长区长度减小，降低了收得率；沉积基底运动参数（u, ω）、初始喷射距离h0等工艺参数并不能改变因雾化器倾角所引起的沉积坯形貌的不理想状况。因此，当将该设备用于实验室制备管坯时，建议直接使用倾角为0o的雾化器单喷，此时可以获得形貌理想的沉积坯。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 喷射成形工艺简介
• 1.2 喷射成形技术原理与特点
• 1.2.1 喷射成形技术原理
• 1.2.2 喷射成形技术的特点
• 1.3 喷射成形技术国内外发展简况
• 1.3.1 喷射成形技术的发展历程
• 1.3.2 国外喷射成形技术的发展
• 1.3.3 我国喷射成形技术的发展
• 1.4 喷射成形技术在高性能材料开发方面的应用
• 1.4.1 铝合金
• 1.4.2 高温合金
• 1.4.3 钢铁材料
• 1.4.4 其他高性能材料
• 1.5 喷射成形技术装置的发展现状
• 1.5.1 喷射沉积设备
• 1.5.2 喷射沉积自动化监测及智能控制系统
• 1.6 课题的选题背景及研究内容
• 1.6.1 选题背景
• 1.6.2 课题研究内容及章节安排
• 2 喷射成形管坯的制备装置及数学生长模型
• 2.1 喷射成形管坯的制备装置
• 2.2 雾化流在雾化锥内的质量空间分布
• 2.3 屏蔽系数的计算
• 2.4 生长模型的建立
• 2.5 粘附系数的处理
• 2.6 本章小结
• 3 喷雾轨迹沉积特性分析及运动的参数优化
• 3.1 喷雾轨迹沉积特性分析
• 3.2 模型的简化
• 3.3 运动参数的优化
• 3.3.1 dmax值的求解
• 3.3.2 运动参数优化过程设计
• 3.4 实现模型预测的工艺流程设计
• 3.5 本章小结
• 4 计算结果与讨论
• 4.1 模拟计算的物性参数及工艺参数选择
• 4.2 沉积坯形貌及生长过程的计算机仿真
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢