本文關鍵詞：送粉式激光熔覆成形三維溫度場數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來，送粉式激光熔覆成形技術在金屬零件成形及修復領域得到日益廣泛的應用。由于激光熔覆成形是一個復雜的物理及冶金過程，影響成形質量的工藝參數(shù)較多，成形質量難以控制。激光熔覆成形溫度場和應力場的分布情況，特別是成形過程的溫度梯度、冷卻速率和應力分布對熔覆層質量和裂紋的形成有著直接影響。但是，由于送粉式激光熔覆成形過程是一個急速的熔化及凝固過程，采用實驗方法測量熔池溫度場和應力場的變化規(guī)律十分困難。因此，本文采用數(shù)值模擬與實驗研究相結合的方法，對送粉式激光熔覆成形過程中溫度場和應力場進行研究，，以揭示激光熔覆成形組織生長形態(tài)及熔覆層裂紋的形成機理。 首先，采用有限元分析軟件ANSYS的APDL語言進行參數(shù)化編程，建立了送粉單道、多道搭接及單道多層激光熔覆成形過程的三維瞬態(tài)溫度場有限元模型。分析了熔覆成形過程熔覆層溫度場分布、不同節(jié)點的溫度—時間歷程及溫度變化規(guī)律、熔池輪廓的變化，并確定了一種測量熔池深度的方法。研究結果表明：熔覆層溫度場分布呈現(xiàn)不同的特征，不同節(jié)點的溫度—時間歷程呈周期性變化。熔覆層端點處節(jié)點的最高溫度高于中間部位節(jié)點的最高溫度，存在“端部效應”。激光熔覆成形過程具有很高的溫度梯度及冷卻速率，分別達到10~5℃/s及10~3℃/s，通過對熔覆層不同深度節(jié)點溫度梯度的分析，研究了熔覆過程溫度梯度的分布情況對熔覆層組織及生長方向的影響。模擬分析了激光工藝參數(shù)對激光熔覆成形過程溫度場的影響，為送粉式激光熔覆成形工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 其次，在溫度場有限元模擬分析的基礎上，進行了送粉式多層激光熔覆成形熱—力耦合分析。結果表明：沿激光掃描方向(X軸正向)拉應力最大，因此，熔覆層裂紋多垂直于結合面而垂直開裂；在熔覆層與基體交界處及熔覆層端部應力較大，是裂紋的高發(fā)區(qū)。通過對熔覆層某節(jié)點三個方向上的塑性應變進行分析，揭示了激光熔覆層裂紋的兩種形態(tài)：熱裂紋和固態(tài)冷卻裂紋，并分析了影響裂紋形成的因素，為減少和消除熔覆層裂紋提供了理論基礎。 最后，通過激光熔覆成形試驗，對激光熔覆成形組織和開裂行為進行了分析，所得結果與溫度場數(shù)值模擬結果吻合較好，驗證了數(shù)值模擬結果的正確性。
【關鍵詞】：激光熔覆成形 溫度場 應力場 數(shù)值模擬 溫度梯度 裂紋
【學位授予單位】：太原科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TG665
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 激光熔覆成形概述9-13
• 1.2.1 激光熔覆成形的原理9-10
• 1.2.2 激光熔覆成形技術的特點10-11
• 1.2.3 激光熔覆成形技術的應用11-13
• 1.2.4 激光熔覆成形技術存在的問題及發(fā)展方向13
• 1.3 激光熔覆成形溫度場數(shù)值模擬的研究狀況13-16
• 1.3.1 激光熔覆成形溫度場數(shù)值模擬國內外的研究進展13-15
• 1.3.2 激光熔覆成形溫度場數(shù)值模擬存在的問題及發(fā)展方向15-16
• 1.4 選題背景及意義16-17
• 1.5 主要研究的內容17-19
• 第二章 送粉式激光熔覆成形溫度場有限元模型的建立19-33
• 2.1 有限元概述19-20
• 2.1.1 基本問題19
• 2.1.2 有限元分析法的原理19
• 2.1.3 送粉式激光熔覆成形溫度場數(shù)值模擬有限元軟件的選擇19-20
• 2.2 激光熔覆成形過程傳熱模型20-21
• 2.2.1 激光熔覆成形過程的熱傳導20-21
• 2.2.2 激光熔覆成形過程的熱對流21
• 2.2.3 激光熔覆成形過程的熱輻射21
• 2.3 粉末與激光相互作用的模型21-24
• 2.3.1 遮光率22-23
• 2.3.2 粉末溫升的數(shù)學模型23-24
• 2.4 激光熱源模型24-25
• 2.4.1 解析式激光熱源模型24-25
• 2.4.2 本文激光熱源模型的建立25
• 2.5 送粉式激光熔覆成形溫度場有限元模型的建立25-31
• 2.5.1 單元類型的選擇26
• 2.5.2 有限元模型簡化的原則26
• 2.5.3 材料的選取及其熱物性參數(shù)26-27
• 2.5.4 能量平衡方程與邊界條件27-28
• 2.5.5 幾何模型的建立28-30
• 2.5.6 劃分網(wǎng)格30-31
• 2.6 生死單元技術31-32
• 2.7 激光熱源的加載與移動32
• 2.8 本模型的參數(shù)化特征32
• 2.9 本章小結32-33
• 第三章 送粉式激光熔覆成形溫度場有限元模擬結果分析33-57
• 3.1 激光工藝參數(shù)對溫度場的影響33-41
• 3.1.1 激光功率對溫度場的影響33-36
• 3.1.2 激光掃描速度對溫度場的影響36-39
• 3.1.3 激光半徑尺寸對溫度場的影響39-41
• 3.1.4 最佳激光熔覆成形工藝參數(shù)41
• 3.2 送粉式單道激光熔覆溫度場有限元模擬結果分析41-42
• 3.3 送粉式多道搭接激光熔覆溫度場有限元模擬結果分析42-50
• 3.3.1 溫度場分布42-43
• 3.3.2 沿激光掃描方向熔覆層表面取樣點溫度—時間歷程分析43-45
• 3.3.3 節(jié)點溫度梯度分析45-46
• 3.3.4 節(jié)點冷卻速率分析46-48
• 3.3.5 熔池深度及熔池輪廓的分析48-49
• 3.3.6 多道搭接熔覆重熔現(xiàn)象的分析49-50
• 3.4 送粉式多層激光熔覆成形溫度場有限元模擬結果分析50-54
• 3.4.1 溫度場分布50-51
• 3.4.2 特征點溫度-時間歷程分析51-52
• 3.4.3 節(jié)點溫度梯度分析52-54
• 3.4.4 節(jié)點冷卻速率分析54
• 3.5 本章小結54-57
• 第四章 送粉式激光熔覆成形熱力耦合的數(shù)值模擬57-65
• 4.1 激光熔覆成形應力場數(shù)值模擬求解過程58-59
• 4.1.1 單元類型的轉換58
• 4.1.2 邊界條件的設定及溫度場結果的讀取58
• 4.1.3 材料的力學性能參數(shù)58-59
• 4.2 送粉式激光熔覆成形應力場結果分析59-64
• 4.2.1 熔覆層某一節(jié)點的應力-時間歷程分析59-60
• 4.2.2 激光熔覆成形中的應變分析60-63
• 4.2.3 裂紋產生機理及其影響因素63-64
• 4.3 本章小結64-65
• 第五章 送粉式多層激光熔覆成形熔覆層微觀組織分析65-69
• 5.1 激光熔覆中的固液界面轉變65-66
• 5.1.1 實驗設計65
• 5.1.2 結果與分析65-66
• 5.2 激光熔覆中的枝晶生長現(xiàn)象66-67
• 5.3 本章小結67-69
• 第六章 結論與展望69-71
• 參考文獻71-75
• 致謝75-77
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文77-78

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：送粉式激光熔覆成形三維溫度場數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：318825