激光直接成形瞬态温度场的数值模拟

论文摘要

激光直接成形技术(LDF—Laser Direct Forming)是基于离散/堆积成形思想的新型制造技术,该技术是快速制造技术(RM—Rapid Manufacturing)的一种常用技术,也是目前主要采用的金属零件激光快速成型技术。RM技术与快速原型技术(RP—Rapid Prototyping)一起(通常称为RP/RM)被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破,其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP/RM技术不同于传统的零件加工方法,而是根据虚拟三维实体模型生成的分层信息,在计算机的控制下,逐点逐层(道)堆积并最终成形出所需的零件。金属零件激光直接成形过程中的温度场、热应力场的研究是国家“973”新材料领域计划项目中的重要研究内容。本文围绕着激光直接成形的温度场、热应力场和位移场的有限元数值模拟展开研究,完成了如下研究内容:(1)恰当地建立了激光直接成形的温度场、热应力场和位移场的有限元模型。(2)处理了温度场模拟过程中部分高温物性参数,使温度场模拟时物性参数的选取更合目的性,更为精确。(3)在连续移动三维瞬态激光熔池温度场有限元模拟的基础上,利用ANSYS有限元软件中的‘生死单元’技术,建立了金属薄壁零件激光直接成形过程的三维瞬态温度场有限元计算模型,模拟了不同工艺参数下该过程的温度场,分析了成形过程中基板及熔覆层温度的变化,获得了激光直接成形的温度变化规律。(4)利用ABAQUS软件解决了部分特殊工艺特征点在热应力场和位移场模拟过程中的处理与实现问题。通过模拟得出了多道激光熔覆过程中基板温度场、应力场、位移场的分布及变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 激光直接成形技术简介
• 1.3 激光直接成形过程温度场数值模拟的研究情况
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.2 目前存在的主要问题
• 1.4 研究内容
• 1.5 研究目的
• 第2章 激光直接成形温度场求解的基本理论
• 2.1 热源模型
• 2.1.1 经典的解析热源模型
• 2.1.2 有限元法建立热源模型
• 2.2 金属粉末输送过程对激光吸收率的影响
• 2.3 温度场与导热微分方程
• 2.4 热对流与辐射
• 2.4.1 热对流
• 2.4.2 热辐射
• 2.5 温度场边界条件
• 2.6 本章小结
• 第3章 激光直接成形温度场的数值模拟
• 3.1 有限元软件简介及温度场数值模拟的意义
• 3.1.1 商用软件概况
• 3.1.2 温度场数值模拟的意义
• 3.2 激光直接成形瞬态温度场数值模拟的算法思想
• 3.3 激光直接成形金属零件瞬态温度场模拟
• 3.3.1 激光直接成形金属零件的有限元模型
• 3.3.2 激光直接成形温度场边界条件
• 3.3.3 材料比热的选择与处理
• 3.4 激光直接成形瞬态温度场的特点
• 3.5 工艺参数对激光直接成形瞬态温度场的影响
• 3.5.1 激光功率对温度场的影响
• 3.5.2 扫描速度对温度场的影响
• 3.5.3 光斑直径对温度场的影响
• 3.5.4 基板尺寸对温度场的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 激光表面熔覆应力场和变形的数值模拟
• 4.1 前言
• 4.2 热应力场数值模拟
• 4.2.1 热应力场数值模拟的特点
• 4.2.2 热弹—塑性有限元基本方程
• 4.3 位移场数值模拟
• 4.3.1 有限元基本方程
• 4.3.2 应力场数值模拟与温度数值模拟的关系
• 4.4 模型的建立
• 4.4.1 几何模型的建立
• 4.4.2 边界条件的确定
• 4.4.3 计算模型中材料热物性参数
• 4.5 激光表面熔覆的温度场分析
• 4.5.1 激光功率对温度场的影响
• 4.5.2 扫描路径对温度场的影响
• 4.5.3 扫描速度对温度场的影响
• 4.6 多道熔覆应变场、应力场和位移场的分析
• 4.6.1 激光功率对熔覆道中点应变的影响
• 4.6.2 扫描路径对熔覆道中点应变的影响
• 4.6.3 扫描速度对多道熔覆过程中应变场的影响
• 4.6.4 扫描路径对熔覆道中点应力的影响
• 4.6.5 扫描速度对应力场的影响
• 4.6.6 激光功率对应力场的影响
• 4.6.7 激光功率对位移场的影响
• 4.6.8 扫描路径对位移场的影响
• 4.6.9 扫描速度对位移场的影响
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介