激光熔凝过程热边界条件反演及温度场重构研究

发布时间：2020-04-06 15:23

【摘要】：激光熔凝是一种材料表面强化技术。加工过程中工件表面有一定厚度的材料发生快速熔化和凝固,熔凝后形成的新组织的性能决定了激光熔凝加工的质量。根据凝固的相关理论,温度场是影响熔凝层新组织形成、残余应力和热变形的关键因素;同时,激光熔凝过程形成的熔池形状也在一定程度上也代表着加工的质量。数值模拟技术是获取整体温度场的有效手段,广泛应用在激光熔凝过程的模拟上。但激光与材料的交互作用非常复杂,影响激光吸收率的因素很多,如激光波长、材料表面状况、表面温度等,加上实际过程中工艺参数的多变和处理材料的多样化,导致了材料表面实际吸收的激光热量作为数值模拟的边界条件难以准确获知。本文采用传热反问题方法基于实测温度反演了该过程的热流边界条件,重构了温度场,并得到了熔池形状。针对激光熔凝过程热边界条件反演和温度场重构研究的现状及存在的主要问题,本文结合有限容积法(焓模型)和基于动态矩阵控制(DMC)的反演算法研究了该过程的热流边界反演和温度场重构问题。主要工作包括:(1)建立了激光熔凝传热过程的数学模型,采用焓方法对该过程的相变潜热进行了处理,并利用有限容积法数值求解了导热微分方程,得到了温度场分布;用有限元模拟软件ANSYS的模拟结果对自编程序的适用性进行了验证;讨论了激光热源形式和材料对激光的吸收率对温度场和熔池形状的影响。结果表明,热源形式和激光吸收率对温度场和熔池形状有较大的影响。(2)在采用有限容积法和焓法求解正问题的前提下,基于DMC反演算法建立了相变导热过程的热流边界反演模型;针对非线性情况下的关系矩阵的变化,采用近似替代法更新了反演过程中的关系矩阵,避免了非线性传热反问题的迭代计算;(3)对激光熔凝过程的热流边界条件反演进行了仿真实验,验证了本文建立的反演模型的正确性和适用性;讨论了未来时间步、正则化参数、温度测量误差、时变热源、脉冲热源和温度测点位置对反演结果的影响。仿真实验结果表明,未来时间步的选取对反演结果影响不大;正则化参数的选取对反演结果影响较大,采用温度残差原理可以选择合适的正则化参数;温度测量误差对反演结果有较大的影响,测量误差越大,反演结果越差,在一定的误差范围内可以得到比较满意的反演结果;本文建立的反演模型能够有效反演恒定热源、时变热源和脉冲热源,并在一定的温度测量误差条件下能够得到比较满意的反演结果;温度测点位置对反演结果有较大影响,位置越靠近热源,反演结果越好。通过对各个影响因素的讨论,证明了本文所建反演模型的有效性。
【图文】：

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图 2.1 激光熔凝示意图Fig2.1 Diagram of laser melting图 2.2 激光熔凝过程的二维轴对称模型Fig2.2 2D axisymmetric model of laser melting process

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图 2.2 激光熔凝过程的二维轴对称模型Fig2.2 2D axisymmetric model of laser melting process究对象为静态激光熔凝模型，根据上述分析，对流效应在本导热模型在很多情况下是适用的，同时考虑变化的热物性参影响。基于上述假设和说明，建立数学模型如下： 1c + ( , , )T T TT r T T Q r zr r r z z 为密度，，c 为比热容，为导热系数，为时间， Q ( r , z , 热源。 104 4:( , ) ( )+f s fTq r t h T T T Tz 4244 0: ()+f s fTh T T T Tn
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665

【参考文献】