对流作用下石墨—铜功能梯度材料激光沉积温度场数值模拟

发布时间：2017-05-28 06:03

  本文关键词：对流作用下石墨—铜功能梯度材料激光沉积温度场数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以受电弓滑板用石墨-铜功能梯度复合材料为研究对象,应用ANSYS/FLOTRAN模块分析石墨-铜功能梯度复合材料激光沉积过程中的温度场和流场,研究了对流和材料梯度结构对温度场的影响,建立了温度场和流场数学模型,并成功实现了同模块下温度场和流场的两相场耦合。根据热分析理论和流体力学分析理论确定了激光沉积中的温度和对流的边界条件;熔池中对流的驱动力;通过在气液自由界面施加张力温度系数,成功模拟了Marangoni对流;根据统一方程理论,借助“固液同一法”实现了模拟中固液界面的连续性移动。得到如下结果:流体从熔池中心向四周流动,流速逐渐增大,在熔池边缘处流速最大,并沿熔池边缘向熔池底部流动,从熔池中心底部向上流动从而形成环流。温度场分布呈椭圆形,中心温度高,四周温度低,且中心温度梯度大于四周温度梯度,熔池前方温度梯度大于熔池后方温度梯度。随着沉积层数的增加,由底层到顶层石墨的含量逐渐增加,呈现梯度分布。在对流作用下,由底层到顶层的温度场分布形状不变,但是温升极值逐渐增大,熔池体积增大,重熔率也增大。梯度复合材料相对于均质复合材料,石墨含量低的沉积层,重熔率较大;石墨含量高的沉积层,重熔率较小。激光功率增大,熔池增大,温升极点增大,熔池内流速也增大;光斑半径增大,熔池尺寸会减少,温升极点减小,流速也减小;扫描速度增大,熔池会减小,温升极点也减小,流速减小。
【关键词】：激光沉积 功能梯度材料 温度场 流场 模拟运算
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-21
• 1.1 受电弓滑板及其发展7-9
• 1.1.1 受电弓滑板简介7-8
• 1.1.2 受电弓滑板常用材料8-9
• 1.2 激光沉积成型技术9-13
• 1.2.1 原理及特点9-11
• 1.2.2 激光沉积质量11-12
• 1.2.3 数值模拟研究现状12-13
• 1.3 功能梯度材料13-18
• 1.3.1 功能梯度材料概念13-14
• 1.3.2 功能梯度材料的制备方法14-16
• 1.3.3 铜基功能梯度复合材料16-17
• 1.3.4 石墨-铜的自润滑性能17-18
• 1.4 ANSYS有限元分析软件18-19
• 1.4.1 软件的应用18-19
• 1.4.2 ANSYS的流场分析FLOTRAN/CFD19
• 1.5 本文研究的主要内容19-21
• 第二章 有限元模型的建立21-32
• 2.1 对流固液相变统一数学模型21-22
• 2.1.1 统一模型基本假设21
• 2.1.2 基本控制方程组21-22
• 2.2 热分析理论22-24
• 2.2.1 基本热传递方式22-23
• 2.2.2 热分析边界条件23-24
• 2.2.3 有限元的热分析类型24
• 2.3 流体力学分析理论24-29
• 2.3.1 流体力学基本方程25-26
• 2.3.2 流体力学边界条件26-27
• 2.3.3 流体流动的驱动力27-29
• 2.4 热源模型29-30
• 2.4.1 热源模型的选择29-30
• 2.4.2 移动热源的处理30
• 2.5 本章小结30-32
• 第三章 有限元求解32-41
• 3.1 有限元模型的建立32-35
• 3.2 材料的相关热物流参数35-37
• 3.3 模拟计算中其他问题的处理37-39
• 3.3.1 模拟移动固液边界的实现37-38
• 3.3.2 相变潜热的处理38-39
• 3.4 流场的耦合39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 流场和温度场计算结果41-60
• 4.1 温度场和流场结果分析41-47
• 4.2 沉积每层的结果47-50
• 4.3 工艺参数的影响50-56
• 4.3.1 激光功率的影响50-52
• 4.3.2 激光光斑半径的影响52-54
• 4.3.3 激光扫描速度的影响54-56
• 4.4 功能梯度材料与均质复合材料的对比56-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 总结60-62
• 5.1 结论60
• 5.2 本课题今后需进一步研究的地方60-62
• 参考文献62-66
• 个人简历 在读期间发表的学术论文66-67
• 致谢67

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本文编号：402012