高频锻造对激光熔覆层应力场的影响

论文摘要

激光熔覆技术是一种在基体表面形成的与基体相互熔合且具有完全不同成分与性能合金熔覆层的先进技术。可是，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。因此，如何消除残余应力防止熔覆层开裂成为激光熔覆领域的一个非常重要课题。微锻造作为一种有效地消除激光熔覆应力的方法，它不仅可以有效地降低熔覆层残余应力，甚至还可以在锻造处理金属表面及一定深度范围内形成压应力区，进而改变熔覆区的应力状态。本文所研究的主要内容有：1．本文首先基于ANSYS的APDL参数化语言建立微锻造作用前激光熔覆二维有限元数值分析模型。在进行分析过程中，利用循环语句*do-*enddo，以及设置时间步长来实现高斯热源的移动，对比了模型温度场的数值分析结果与实验测量结果。并且还建立了激光熔覆单层多道三维有限元数值分析模型，分析采用单元生死技术实现粉末的加入，通过分析得出了熔覆层温度分布情况以及熔覆层上的点温度随时间变化的关系。2．基于温度场分析结果，对单层单道和单层多道的激光熔覆过程进行了热弹塑性分析。采用顺序耦合的方法，即利用ANSYS的ldread命令从.rth文件中读取温度场计算结果，并将其作为体载荷加载到结构分析的模型中去。分析得出单层单道沿垂直深度方向纵向和横向残余应力的变化，以及其变形曲线。并且还得出了单层多道翘曲变形程度，以及熔覆层热应力随熔覆时间的变化关系。3．基于微锻造作用实验，建立冲击—接触数值分析模型。分析得出微锻造作用熔覆层加载和卸载时，纵向和横向应力随垂直深度变化关系。然后依据之前对单层单道残余应力的分析，得出微锻造作用熔覆层纵向和横向综合残余应力随垂直深度的变化曲线。同时，分别探讨了微锻造作用产生的塑性变形量和锻造头直径不同时，得出其纵向残余应力随垂直深度的变化关系曲线。4．对不同成形厚度激光熔覆进行了实验研究，测量了在预热温度不同的条件下，不同成形厚度翘曲变形量，这样为理论分析的验证提供了可靠的依据。并且，基于激光熔覆后不同成形厚度翘曲变形程度的不同，建立了数学模型，得出挠度与屈服强度的关系。同时，建立了悬臂梁模型，计算了不同成形厚度时，成形件的表层残余应力值，进一步验证了有限元数值分析模型。并且还利用所建立的数学模型计算了锻造后不同成形厚度成形件的表层残余应力值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 微锻造作用下激光熔覆温度场和应力场数值模拟研究状况
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 有限元分析的基本理论以及数值模型的建立
• 2.1 基本理论
• 2.2 ANSYS 有限元软件概述
• 2.3 数值模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 温度场分析
• 3.1 温度场基本分析原理
• 3.2 热源模型的选择
• 3.3 热源移动的处理
• 3.4 温度场模拟分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 应力场分析
• 4.1 单层单道残余应力和变形分析结果
• 4.2 单层多道残余应力和变形分析结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 微锻造作用数值模拟
• 5.1 弹塑性力学基本理论
• 5.2 微锻造有限元数值模拟分析及结果
• 5.3 微锻造产生塑性变形与热应力叠加的有限元计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验研究
• 6.1 成形厚度与变形量之间的关系
• 6.2 建立梁弯曲变形模型
• 6.3 成形件表面残余应力测量与计算
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录