GMA增材制造熔池热场及流场数值分析

发布时间：2021-04-29 09:42

　　熔化极气体保护电弧（Gas metal arc,GMA）填丝增材制造技术具有设备成本低、堆积效率高、成形件力学性能好等优点,广泛应用于复杂金属构件制造和修复领域。然而,GMA增材制造过程热输入大,工艺参数较多,对堆积层的尺寸和形状优化困难。而堆积过程中,堆积层的形状和尺寸与熔池中热传输和流体流动息息相关。基于此,本文采用数值模拟方法针对GMA增材制造熔池温度场及流场分布特性进行分析,预测熔池尺寸和形状,揭示成形过程熔池中的传热传质特性,并探讨工艺参数对熔池热场及流场分布的影响,为实现高效率、高质量薄壁件增材制造建立理论基础。本文综合考虑了气-液-固三相耦合及熔滴与熔池的交互作用,基于FLUENT仿真软件,建立了不锈钢GMA增材制造三维瞬态熔池流动数值模型。对软件进行二次开发,考虑材料的热物理性能及相变潜热等因素,将熔滴视作从熔池上方以一定速度周期性流入的高温液态金属,探讨不锈钢GMA增材制造瞬态沉积过程中的热场和流场分布特性。并开展工艺实验获得堆积层宏观形貌图,以验证模型的可行性。数值分析结果表明,随堆积过程进行,基板上的温度逐渐升高,高温区域逐渐增大,温度梯度减小,熔池中心温度逐渐增... 

【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 电弧增材制造研究现状
        1.2.2 电弧增材制造过程数值模拟研究现状
        1.2.3 FLUENT数值模拟研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 GMA增材制造计算理论与模型
    2.1 计算流体动力学
    2.2 FLUENT系统简介
        2.2.1 FLUENT求解器及运行环境
        2.2.2 关键物理模型
    2.3 GMA增材制造的数值模型
        2.3.1 数学模型
        2.3.2 几何模型
        2.3.3 定义材料性能
        2.3.4 初始条件及边界条件
        2.3.5 方程源项
        2.3.6 熔滴模型
        2.3.7 源项的加载
        2.3.8 求解方法
    2.4 本章小结
第3章 GMA增材制造熔池模拟结果与实验验证
    3.1 熔池温度场分析
        3.1.1 三维温度场演变
        3.1.2 熔池纵截面温度场分布
        3.1.3 熔池横截面温度场分布
    3.2 熔池流场分析
        3.2.1 熔池纵截面流场分布
        3.2.2 熔池横截面和上表面流场分布
    3.3 实验验证
    3.4 本章小结
第4章 工艺参数对GMA增材制造熔池热场及流场的影响
    4.1 不同行走速度下GMA增材制造熔池热场及流场分析
        4.1.1 行走速度对堆积层形貌的影响
        4.1.2 行走速度对熔池温度场的影响
        4.1.3 行走速度对熔池流场的影响
    4.2 不同堆积电流下GMA增材制造熔池热场及流场分析
        4.2.1 堆积电流对堆积层形貌的影响
        4.2.2 堆积电流对熔池温度场的影响
        4.2.3 堆积电流对熔池流场的影响
    4.3 本章小结
结论
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间学术成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型[J]. 张世亮,胥国祥,曹庆南,潘海潮,李鹏飞.  焊接学报. 2018(02)
[2]基板厚度对电弧熔积成形应力场及基板翘曲变形的影响[J]. 王桂兰,梅飞翔,张海鸥,周祥曼.  热加工工艺. 2017(11)
[3]电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真[J]. 周祥曼,张海鸥,王桂兰,柏兴旺.  物理学报. 2016(03)
[4]电弧增材制造研究现状及在航空制造中应用前景[J]. 熊江涛,耿海滨,林鑫,黄丹,李京龙,张赋升.  航空制造技术. 2015(Z2)
[5]铝合金电弧增材制造焊道宽度尺寸预测[J]. 柏久阳,王计辉,林三宝,杨春利.  焊接学报. 2015(09)
[6]激光+GMAW复合热源焊流体流动数值分析模型[J]. 胥国祥,张卫卫,马学周,杜宝帅.  焊接学报. 2015(07)
[7]金属增材制造技术在航空领域的发展与应用[J]. 巩水利,锁红波,李怀学.  航空制造技术. 2013(13)
[8]国外金属零部件增材制造技术发展概述[J]. 黄秋实,李良琦,高彬彬.  国防制造技术. 2012(05)
[9]金属零件直接快速制造技术及发展趋势[J]. 张海鸥,王超,胡帮友,蒋疆,邹海平,王桂兰.  航空制造技术. 2010(08)
[10]基于TIG堆焊技术的低碳钢零件精密快速成形[J]. 李玉龙,张华,张光云,徐建宁.  焊接学报. 2009(09)

博士论文
[1]焊接熔池的流体动力学行为及凝固组织模拟[D]. 赵玉珍.北京工业大学 2004

硕士论文
[1]铝合金激光+GMAW复合热源焊接熔池动态行为数值分析[D]. 曹庆南.江苏科技大学 2017
[2]窄间隙双缆式GMAW熔池流体行为研究[D]. 冷昊凯.江苏科技大学 2017
[3]基于CMT的铝合金电弧增材制造（3D打印）技术及工艺研究[D]. 张瑞.南京理工大学 2016
[4]热丝K-PAW电弧—熔滴耦合研究[D]. 付志伟.江苏科技大学 2016
[5]热丝K-PAW焊接熔池—小孔热场与流场动态行为的数值分析[D]. 刘书高.江苏科技大学 2014
[6]基于FLUENT的双丝焊焊接熔池热场及流场数值模拟研究[D]. 张翔.太原科技大学 2014
[7]TIG焊三维熔池的数值模拟[D]. 霍宏伟.兰州理工大学 2013



本文编号：3167299