激光增材制造镍基高温合金温度场的数值模拟研究

发布时间：2020-08-10 15:34

【摘要】：激光增材制造技术是基于分层制造原理,利用材料逐层累积的方法,将CAD数字模型制造为实体零件的一种新型技术。与传统切削技术相比,该技术具有易实现数字化制造、无需模具夹具、不受零件结构的限制、材料利用率高等一系列优点,在航空航天、汽车制造、电子产品、医疗器械等行业具有广泛的应用前景。对于激光增材制造技术的研究,主要是研究其制造过程中温度场的分布规律。但是由于实时测量熔池内的温度非常困难,从而导致温度变化规律难以把握,并且需要大量的实验才有可能发现其中的规律。这样就会付出很高的时间成本,因此通过实验的手段对激光增材制造过程中的温度变化规律进行研究,可操作性不强。数值模拟软件的开发,为解决这一问题提供了一种非常便捷的方法。本文选用ANSYS数值模拟软件,利用其热源移动技术和“生死单元”技术来模拟激光增材制造过程。首先对温度场进行有限元模拟计算,将温度场模拟结果作为已知条件,通过间接耦合对应力场应变场进行模拟计算,得到激光增材制造过程中零件的应力/应变演化规律。本文以长方体模型和薄壁圆筒模型的制造过程为模拟对象。保持激光功率、扫描速度、光斑直径等参数不变,通过改变熔覆层的厚度、模型曲率等参数,得到不同条件下的温度场分布情况。从而模拟计算应力场应变场的分布规律,了解激光增材制造过程中温度场的整体分布规律以及熔覆层厚度、零件曲率等参数对熔覆过程中温度场、应力应变场分布情况的影响规律。通过对模拟结果的分析,发现温度场的分布随着熔覆层数的增加,是一个动态变化的过程。对于每一个坐标点的金属粉末,在时间维度上都存在一个温度突变的过程,且温度有两次峰值会达到金属粉末的熔化温度,这样可以使上下两层对应点的金属粉末达到冶金结合。层厚的减小和曲率的产生会对热量的传递产生明显的影响,尤其是当熔覆层的厚度减小时,有利于热量的传递,但会增长熔覆时间,影响制造效率。在增材制造的零件体积较小,高度较低时,热量的散失路径主要为Z方向(高度增加的方向)散热,导致Z方向的温度梯度较大,在成型零件中易形成沿Z方向生长的柱状晶。通过对应力应变场的模拟结果进行分析,发现由于在熔覆刚开始的时候,熔覆层与基板紧密连接,二者之间的热传导非常强烈,导致该处的温度梯度非常高,而且由于基板对熔覆层的约束作用,从而会产生较大的热应力,且以拉应力为主。当超过其屈服强度时,会导致零件产生变形,当超过其极限抗拉强度时,会导致熔覆零件在根部处产生裂纹。
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG132.3
【图文】：

模型图,模型图,单元生死,几何模型

2.3.2 移动热源的加载在激光增材制造过程中，激光热源的位置随时间不停的移动，金属粉末也随激光位置的改变在固液相之间发生动态变化，ANSYS 软件主要通过“单元生死”技术来模拟实现这一动态过程。具体过程是将每一个单元按坐标进行编号，当激光束照射到该单元时，通过“单元生死”功能将该单元激活，激活以后，该单元的温度为热源温度，当激光束移开该单元后，再通过“单元生死”功能将其杀死。这样就模拟了这一动态过程。2.4 ANSYS 有限元模拟计算前处理2.4.1 几何模型的建立有限元几何模型的建立要根据实际模拟对象的形状来进行，要尽量保持几何模型与实际零件的一致性。几何模型图如图 2-1 所示。

路径图,路径图,激光扫描,网格划分

图 2-2 激光扫描路径图Fig.2-2 laser scanning path schematic划分及单元类型的选择计算中，几何模型不能直接进行计算，这就需要将几何模型通元模型[51]。ANSYS 软件中的网格划分方法有两种，分别为自划分。自由网格划分一般适用于所有形状的几何模型，对几何定的要求。但是，经过自由网格划分以后，生成的内部节点用坐标比较随意。映射网格划分以后，每一个网格单元的形状规算的进行[52]。因此本文的有限元模拟选用映射网格划分的方法言，网格划分越细小，模拟结果精确度越高，但是求解计算时带来很大的负担，在综合考虑计算精度与计算时间二者之间的，将熔覆层处的网格划分的比较细小，将基板处的网格划分的况如图 2-3 所示。

效果图,网格划分,效果图

图 2-2 激光扫描路径图Fig.2-2 laser scanning path schematic2.4.2 网格划分及单元类型的选择在模拟计算中，几何模型不能直接进行计算，这就需要将几何模型通过网格划分转化为有限元模型[51]。ANSYS 软件中的网格划分方法有两种，分别为自由网格划分和映射网格划分。自由网格划分一般适用于所有形状的几何模型，对几何模型的具体形状没有特定的要求。但是，经过自由网格划分以后，生成的内部节点用户无法自己控制，节点坐标比较随意。映射网格划分以后，每一个网格单元的形状规律整齐，有利于模拟计算的进行[52]。因此本文的有限元模拟选用映射网格划分的方法。通常而言，网格划分越细小，模拟结果精确度越高，但是求解计算时间会越长会给计算机带来很大的负担，在综合考虑计算精度与计算时间二者之间的平衡后，在划分网格时，将熔覆层处的网格划分的比较细小，将基板处的网格划分的尺寸较大网格划分情况如图 2-3 所示。

【参考文献】