【摘要】：激光增材制造技術是基于分層制造原理,利用材料逐層累積的方法,將CAD數字模型制造為實體零件的一種新型技術。與傳統(tǒng)切削技術相比,該技術具有易實現數字化制造、無需模具夾具、不受零件結構的限制、材料利用率高等一系列優(yōu)點,在航空航天、汽車制造、電子產品、醫(yī)療器械等行業(yè)具有廣泛的應用前景。對于激光增材制造技術的研究,主要是研究其制造過程中溫度場的分布規(guī)律。但是由于實時測量熔池內的溫度非常困難,從而導致溫度變化規(guī)律難以把握,并且需要大量的實驗才有可能發(fā)現其中的規(guī)律。這樣就會付出很高的時間成本,因此通過實驗的手段對激光增材制造過程中的溫度變化規(guī)律進行研究,可操作性不強。數值模擬軟件的開發(fā),為解決這一問題提供了一種非常便捷的方法。本文選用ANSYS數值模擬軟件,利用其熱源移動技術和“生死單元”技術來模擬激光增材制造過程。首先對溫度場進行有限元模擬計算,將溫度場模擬結果作為已知條件,通過間接耦合對應力場應變場進行模擬計算,得到激光增材制造過程中零件的應力/應變演化規(guī)律。本文以長方體模型和薄壁圓筒模型的制造過程為模擬對象。保持激光功率、掃描速度、光斑直徑等參數不變,通過改變熔覆層的厚度、模型曲率等參數,得到不同條件下的溫度場分布情況。從而模擬計算應力場應變場的分布規(guī)律,了解激光增材制造過程中溫度場的整體分布規(guī)律以及熔覆層厚度、零件曲率等參數對熔覆過程中溫度場、應力應變場分布情況的影響規(guī)律。通過對模擬結果的分析,發(fā)現溫度場的分布隨著熔覆層數的增加,是一個動態(tài)變化的過程。對于每一個坐標點的金屬粉末,在時間維度上都存在一個溫度突變的過程,且溫度有兩次峰值會達到金屬粉末的熔化溫度,這樣可以使上下兩層對應點的金屬粉末達到冶金結合。層厚的減小和曲率的產生會對熱量的傳遞產生明顯的影響,尤其是當熔覆層的厚度減小時,有利于熱量的傳遞,但會增長熔覆時間,影響制造效率。在增材制造的零件體積較小,高度較低時,熱量的散失路徑主要為Z方向(高度增加的方向)散熱,導致Z方向的溫度梯度較大,在成型零件中易形成沿Z方向生長的柱狀晶。通過對應力應變場的模擬結果進行分析,發(fā)現由于在熔覆剛開始的時候,熔覆層與基板緊密連接,二者之間的熱傳導非常強烈,導致該處的溫度梯度非常高,而且由于基板對熔覆層的約束作用,從而會產生較大的熱應力,且以拉應力為主。當超過其屈服強度時,會導致零件產生變形,當超過其極限抗拉強度時,會導致熔覆零件在根部處產生裂紋。
【學位授予單位】：內蒙古工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG665;TG132.3
【圖文】：

2.3.2 移動熱源的加載在激光增材制造過程中，激光熱源的位置隨時間不停的移動，金屬粉末也隨激光位置的改變在固液相之間發(fā)生動態(tài)變化，ANSYS 軟件主要通過“單元生死”技術來模擬實現這一動態(tài)過程。具體過程是將每一個單元按坐標進行編號，當激光束照射到該單元時，通過“單元生死”功能將該單元激活，激活以后，該單元的溫度為熱源溫度，當激光束移開該單元后，再通過“單元生死”功能將其殺死。這樣就模擬了這一動態(tài)過程。2.4 ANSYS 有限元模擬計算前處理2.4.1 幾何模型的建立有限元幾何模型的建立要根據實際模擬對象的形狀來進行，要盡量保持幾何模型與實際零件的一致性。幾何模型圖如圖 2-1 所示。

圖 2-2 激光掃描路徑圖Fig.2-2 laser scanning path schematic劃分及單元類型的選擇計算中，幾何模型不能直接進行計算，這就需要將幾何模型通元模型[51]。ANSYS 軟件中的網格劃分方法有兩種，分別為自劃分。自由網格劃分一般適用于所有形狀的幾何模型，對幾何定的要求。但是，經過自由網格劃分以后，生成的內部節(jié)點用坐標比較隨意。映射網格劃分以后，每一個網格單元的形狀規(guī)算的進行[52]。因此本文的有限元模擬選用映射網格劃分的方法言，網格劃分越細小，模擬結果精確度越高，但是求解計算時帶來很大的負擔，在綜合考慮計算精度與計算時間二者之間的，將熔覆層處的網格劃分的比較細小，將基板處的網格劃分的況如圖 2-3 所示。

圖 2-2 激光掃描路徑圖Fig.2-2 laser scanning path schematic2.4.2 網格劃分及單元類型的選擇在模擬計算中，幾何模型不能直接進行計算，這就需要將幾何模型通過網格劃分轉化為有限元模型[51]。ANSYS 軟件中的網格劃分方法有兩種，分別為自由網格劃分和映射網格劃分。自由網格劃分一般適用于所有形狀的幾何模型，對幾何模型的具體形狀沒有特定的要求。但是，經過自由網格劃分以后，生成的內部節(jié)點用戶無法自己控制，節(jié)點坐標比較隨意。映射網格劃分以后，每一個網格單元的形狀規(guī)律整齊，有利于模擬計算的進行[52]。因此本文的有限元模擬選用映射網格劃分的方法。通常而言，網格劃分越細小，模擬結果精確度越高，但是求解計算時間會越長會給計算機帶來很大的負擔，在綜合考慮計算精度與計算時間二者之間的平衡后，在劃分網格時，將熔覆層處的網格劃分的比較細小，將基板處的網格劃分的尺寸較大網格劃分情況如圖 2-3 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2788281