基于有限元分析的电火花表面强化热应力及裂纹研究

发布时间：2017-08-28 15:17

  本文关键词：基于有限元分析的电火花表面强化热应力及裂纹研究

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【摘要】：钛合金具有比强度高、耐冲击、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、化工、汽车、医疗等行业和一些腐蚀性环境。钛合金具有较高的回弹特性和化学活性，较低的导热系数等材料特性，利用传统加工方法加工钛合金十分困难，且成本高，电火花加工技术的出现解决了传统加工的难题。电火花加工是一种非传统加工方式，该种加工方法具有节约能源、快速高效、绿色环保等优点，可以很好的代替传统加工方式，因而得到国内外研究学者的重视。电火花表面强化技术是利用脉冲热源放电熔融重铸工件表面，使工件表面发生化学冶金反应达到强化效果的一种强化技术。 本论文以TC4钛合金工件为研究对象，采用有限元软件建立混粉介质单脉冲电火花表面强化过程的数学模型，计算电火花强化过程的温度场、结构场变化情况。分析电火花强化工艺参数对工件温度场、结构场及表面质量的影响。 分析单脉冲电火花表面强化过程的放电机理、脉冲放电通道及热能分配情况，编写与热源相近的高斯热源模型。 通过研究在混粉介质电火花放电过程的物理化学变化过程，得出在电火花表面强化过程中不仅存在热冲击还涉及强化层化学成分的变化，强化层化学成分的改变会产生较大的失配应力。考虑上述情况，本文利用JMatPro软件拟合材料参数，采用顺序耦合分析求解工件在单脉冲电火花表面强化作用下的温度场及结构场。 利用Abaqus有限元软件构建工件热传导数学模型，，模拟脉冲放电加热过程中工件温度场的变化情况，计算获得强化层深度；利用脉冲放电工件的温度场结果作为载荷来模拟工件表面应力场的变化规律；利用放电加热结束时的工件温度场载荷来模拟冷却过程的热传导过程，获得冷却过程的温度场变化情况；利用冷却过程中工件的温度场载荷、放电结束时的应力场载荷来模拟冷却过程工件表面结构场变化规律。 最后，分析电火花强化工艺参数对工件表面温度场、结构场及表面质量的影响，得出工艺参数对热应力、残余应力及表面裂纹的影响规律。
【关键词】：钛合金 电火花表面强化 数值仿真 强化层 表面质量
【学位授予单位】：天津职业技术师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG661
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 TC4 钛合金简介11-12
• 1.2.1 TC4 钛合金的性质11
• 1.2.2 TC4 钛合金的应用11-12
• 1.2.3 TC4 钛合金的失效形式12
• 1.3 电火花表面强化加工简介12-16
• 1.3.1 电火花表面强化基本原理12
• 1.3.2 电火花表面强化研究现状与发展12-14
• 1.3.3 电火花加工特点与局限性14-15
• 1.3.4 电火花强化表面缺陷研究15-16
• 1.4 钛合金材料参数计算16
• 1.5 有限元技术在电火花表面强化中应用16-18
• 1.5.1 电火花加工数值仿真研究简介17
• 1.5.2 电火花表面强化温度场数值模拟现状和发展17-18
• 1.5.3 电火花表面强化结构场数值模拟现状和发展18
• 1.6 研究的主要内容18-20
• 第2章 单脉冲电火花表面强化有限元模型建立20-32
• 2.1 材料参数选用20-23
• 2.1.1 温度场材料参数选用20-21
• 2.1.2 结构场材料参数选用21-23
• 2.2 热源模型建立23-26
• 2.2.1 高斯分布热源23-24
• 2.2.2 工件能量分配比例24-25
• 2.2.3 放电半径确定25-26
• 2.3 电火花表面强化热传导有限元模型建立26-29
• 2.3.1 热传导分析理论基础及微分方程26-27
• 2.3.2 几何建模和网络划分27-28
• 2.3.3 设置分析步与边界条件28-29
• 2.4 电火花表面强化结构场有限元模型建立29-31
• 2.4.1 热应力顺序耦合分析29-30
• 2.4.2 结构场分析理论基础30
• 2.4.3 几何建模和网络划分30
• 2.4.4 设置分析步和边界条件30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 电火花表面强化温度场分析32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 热传导分析基本流程及假设32-33
• 3.2.1 热传导分析基本流程32
• 3.2.2 基本假设32-33
• 3.3 热传导数值模拟分析33-36
• 3.3.1 电火花强化过程某时刻温度分析33-35
• 3.3.2 电火花强化过程某位置温度随时间变化分析35-36
• 3.4 探讨放电电压对温度场影响36-39
• 3.4.1 放电结束时温度场对比36-37
• 3.4.2 熔融深度最深时熔池对比37-39
• 3.5 探讨放电脉宽对温度场影响39-42
• 3.5.1 放电结束温度场对比39-40
• 3.5.2 熔融深度最深时熔池对比40-42
• 3.6 探讨强化层碳含量对温度场影响42-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第4章 电火花表面强化过程结构场分析44-54
• 4.1 引言44
• 4.2 结构场分析基本流程及假设44-45
• 4.3 结构场计算数值模拟分析45-47
• 4.3.1 电火花强化过程不同时刻结构场分析45-46
• 4.3.2 电火花强化过程节点应力随时间变化分析46-47
• 4.4 探讨放电电压对结构场影响47-49
• 4.4.1 脉冲放电结束结构场分析47-48
• 4.4.2 冷却结束结构场分析48-49
• 4.5 探讨放电脉宽对结构场影响49-52
• 4.5.1 脉冲放电结束结构场分析49-51
• 4.5.2 冷却结束结构场分析51-52
• 4.6 探讨强化层碳含量对结构场影响52-53
• 4.7 本章小结53-54
• 第5章 热裂纹等表面缺陷的影响因素54-58
• 5.1 从试验角度分析电火花强化表面缺陷54-55
• 5.2 从有限元角度分析电火花强化表面缺陷55-57
• 5.2.1 电火花表面强化过程不同时刻应力变化55-56
• 5.2.2 分析轴向应力对工件表面缺陷影响56-57
• 5.3 本章小结57-58
• 第6章 结论与展望58-60
• 6.1 结论58
• 6.2 展望58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术成果65-66
• 附录66-67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：748311