激光表面强化中温度场与热应力场的数值模拟与分析

论文摘要

激光表面强化作为一种先进制造和再制造技术手段,正被应用于越来越多的材料及零件表面强化、改性、修复等领域。本文针对铁路货车易磨损部件车钩的激光表面强化,以有限元方法模拟激光表面强化的温度场和热应力场。激光表面强化受多种参数的影响,具有骤热骤冷的特点,导致难以用实验方法直接测量瞬时温度和热应力分布;另一方面,应用中需要使用数值方法预估加工中的温度和热应力状态。本文采用有限元分析软件ANSYS,以车钩的表面强化为目标,对车钩材料的激光相变硬化和激光熔覆进行了温度场和热应力场数值模拟与分析,主要内容如下:1、研究了激光相变硬化和激光熔覆的相关机理,以及其数值模拟的热源模型、相变潜热以及网格划分等处理技术。2、模拟分析了激光相变硬化中温度场和热应力场的变化规律,重点计算并分析了激光工艺参数对激光相变硬化效果的影响。3、模拟分析了预置式激光熔覆和同步送粉式激光熔覆,对其温度场变化规律进行对比,分析了激光工艺参数对熔覆效果的影响,并用实验做了相应验证。4、以车钩为具体对象,对钩尾销孔的激光相变硬化和激光熔覆的温度和热应力变化进行数值模拟,重点分析了不同扫描方式对激光相变硬化效果的影响,比较了激光束与圆柱內孔表面不同夹角时熔覆效果的区别。模拟结果符合激光表面强化的规律,可用于预测车钩再制造过程中的激光表面强化工艺的结果,并应用于再制造工艺的优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光表面强化的特性
• 1.3 激光表面强化技术在国内外的发展与应用
• 1.3.1 激光表面强化技术在国外的发展与应用
• 1.3.2 激光表面强化技术在国内的发展与应用
• 1.4 激光表面强化数值模拟国内外研究现状
• 1.4.1 激光相变硬化数值模拟研究现状
• 1.4.2 激光熔覆数值模拟研究现状
• 1.4.3 激光表面强化数值模拟存在的问题
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 论文章节安排
• 第二章 激光表面强化数值模拟关键技术
• 2.1 激光表面强化机理
• 2.1.1 激光相变硬化机理
• 2.1.2 激光表面熔覆机理
• 2.2 激光表面强化的传热模型
• 2.2.1 热量传递的基本理论
• 2.2.2 热传导微分方程
• 2.3 ANSYS 激光表面强化数值模拟的相关处理
• 2.3.1 ANSYS 热分析概述
• 2.3.2 热源模型及其加载
• 2.3.3 关于网格划分
• 2.3.4 相变潜热的处理
• 2.3.5 实体单元类型的选择
• 2.3.6 表面效应单元
• 2.4 本章小结
• 第三章 激光相变硬化数值模拟分析
• 3.1 激光相变硬化温度场模拟分析
• 3.1.1 材料的热物性参数
• 3.1.2 物理模型的建立
• 3.1.3 模拟结果分析
• 3.1.3.1 温度场分析
• 3.1.3.2 硬化层分布规律
• 3.1.3.3 激光工艺参数对相变硬化效果的影响
• 3.2 激光相变硬化应力场分析
• 3.2.1 热应力的产生
• 3.2.2 热应力的分析方法
• 3.2.3 间接法进行热应力分析的步骤
• 3.2.4 边界条件的确定和施加载荷
• 3.2.5 应力模拟结果分析
• 3.2.5.1 整体应力分布云图分析
• 3.2.5.2 单点应力变化分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 激光熔覆的数值模拟分析
• 4.1 激光熔覆的物理模型
• 4.2 热源模型的选取和同步送粉模拟的实现
• 4.3 材料的热物性参数
• 4.4 模拟结果的分析
• 4.4.1 预置式激光熔覆
• 4.4.2 同步供给式激光熔覆
• 4.4.3 工艺参数对激光熔覆效果的影响
• 4.5 实验验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 实例
• 5.1 零件介绍
• 5.2 激光多道扫描方式介绍
• 5.3 零件的简化和网格划分
• 5.4 模拟方案
• 5.5 模拟结果分析
• 5.5.1 激光相变硬化模拟结果分析
• 5.5.2 同步送粉式激光熔覆模拟结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学校间的研究成果及发表的学术论文