激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟

发布时间：2017-04-19 09:01

  本文关键词：激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 激光熔覆技术能把高性能的合金材料熔覆到价格低廉的金属件上,可以改善制品的性能,且热影响区极小,零部件基本不变形,特别适合于零部件的磨损及模具失效表面的修复。 本文研究的主要内容有: 1通过对激光熔覆过程中,金属带横截面形成机理的研究,提出了准稳态系统,并对激光工艺参数的相互联系进行讨论。在熔覆层全熔情况下,利用质量与能量的守恒定理,计算出激光功率的最小及最大的临界值。 2采用预置法,在热作塑料模具钢P20表面激光熔覆H13粉,利用有限元ANSYS分析软件,选用高斯热源分布的近似热源模型,通过二次开发语言APDL实现移动热源的加载和卸载;建立了激光熔池瞬态温度分布模型;并利用温度场和应力场的间接耦合,最终得到残余应力场。通过实验验证了本文建立的三维激光熔覆温度场的动态模型,及冷却后的残余应力场的模型是有效的。 3利用ANSYS模拟不同激光功率时的温度场,得出熔池的最高温度、温度上升的速度及最大冷却速度均与激光功率成正比,但温度梯度大致相同。单纯的靠提高激光功率对于降低冷却速度,减小残余应力,作用不大。 4利用ANSYS模拟不同模型,不同激光束起始作用位置,得出,当激光束的扫描起始位置距离工件熔覆边缘大概2mm开始作用,可以有效的解决边角能量集中导致塌陷的问题,同时也能减小由表面张力差造成的高度差。并用实验验证了该方法能在不改变激光参数的情况下,有效的解决边缘塌陷问题。
【关键词】：激光熔覆 数值模拟 温度场 残余应力
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究背景11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.3 激光熔覆存在的问题和发展方向14-16
• 1.4 研究内容和技术安排16-18
• 第二章 激光熔覆技术18-29
• 2.1 激光熔覆的特点18-19
• 2.2 激光熔覆工艺19-24
• 2.2.1 熔覆材料的选取19-20
• 2.2.2 材料的添加方式20-21
• 2.2.3 影响激光熔覆层质量的因素21-24
• 2.3 实验准备24-28
• 2.3.1 激光和数控机床系统24-25
• 2.3.2 实验结果分析25-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 熔池的准稳态系统29-39
• 3.1 准稳态系统的提出29-30
• 3.1.1 金属带横截面的形成29
• 3.1.2 熔覆带横截面轮廓的形成机理29-30
• 3.2 准稳态系统的研究30-38
• 3.2.1 激光功率最小值的研究30-33
• 3.2.2 激光功率最大值的研究33-35
• 3.2.3 激光束起始作用位置对熔池的影响35-36
• 3.2.4 准稳态系统的重要性36-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第四章 激光熔覆温度场的模拟39-60
• 4.1 数值模拟的介绍39-40
• 4.1.1 激光熔覆数值模拟的意义和简单历程39-40
• 4.1.2 ANSYS概述40
• 4.2 激光熔覆温度场的数学模型40-41
• 4.3 激光熔覆温度场的有限元模型41-55
• 4.3.1 前处理42-51
• 4.3.2 后处理51-55
• 4.4 验证性试验研究55-59
• 4.4.1 温度测量试验操作图55-56
• 4.4.2 温度监测系统56-57
• 4.4.3 实验测试结果57-59
• 4.5 结论59
• 4.6 本章小结59-60
• 第五章 激光熔覆残余应力场模拟60-73
• 5.1 残余应力及其分类60
• 5.2 残余应力的测试方法60-61
• 5.3 激光熔覆残余应力分析61-65
• 5.3.1 产生原因61-62
• 5.3.2 热力耦合分析62-63
• 5.3.3 裂纹形成63-64
• 5.3.4 减小残余应力措施64-65
• 5.4 残余应力的数值模拟65-68
• 5.5 验证性实验研究68-71
• 5.5.1 X射线应力测定仪68-69
• 5.5.2 残余应力的测试结果69-71
• 5.6 结论71-72
• 5.7 本章小结72-73
• 第六章 数值模拟的应用73-84
• 6.1 激光功率对温度场的影响73-77
• 6.1.1 前处理73-74
• 6.1.2 后处理74-77
• 6.2 解决边缘塌陷问题77-83
• 6.2.1 有限元模拟78-81
• 6.2.2 验证试验81-83
• 6.3 本章小结83-84
• 第七章 结论与展望84-86
• 7.1 结论84-85
• 7.2 展望85-86
• 参考文献86-89
• 致谢89-90
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果90

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