等离子熔积成形过程温度场与应力场的数值模拟

发布时间：2020-12-10 15:11

　　等离子熔积快速制造是基于层积成形原理,采用高能量密度的等离子弧熔化金属粉末,在基板上按照数字化设定的轨迹逐层堆积金属零件的技术。该技术适合高熔点金属零件的快速制造,受到人们的广泛关注。熔积成形的技术关键是成形性与热应力的控制,而这些与成形过程的温度场和应力场紧密相关。因此,有必要系统研究工艺条件对熔积成形温度场和应力场的影响规律,进而研究其对零件成形质量的影响。本文基于传热学和热弹塑性理论,结合等离子熔积过程的特点,实现了高温合金熔积过程的数值模拟。研究重点是建立熔积层单元按照设定轨迹自动激活的生长模型和移动热源条件下动质传热过程的温度场和应力场的计算模型。首先,在考虑熔池表面张力的影响下,拟合出熔积层表面几何形貌的曲线方程,建立熔积层几何模型。其次,利用通用有限元软件ANSYS,将几何模型划分为能够进行温度场和应力场弱耦合计算的六面体网格单元,生成有限元模型,计算熔积单元激活生长顺序; 根据高斯热源模型计算熔积过程中的热流输入,建立较为全面和准确的热量输入模型。最后,使用APDL 语言二次开发,编写熔积过程温度场和应力场模拟程序。在数值模拟的理论基础上,以镍基高温合金材料为例,分析了... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

等离子熔积成形传热示意图

弧热源的移动，整个工件的温度随时间和空间急剧变剧烈变化，同时还存在熔融和凝固时相变潜热。因此性瞬态热传导问题。积成形的温度场计算模型移动热源的计算模型化的温度场的主要原因是高能束的移动热源，所以首先离子熔积成形的移动热源与焊接热源一样，都具有集中时间梯度都很大的不均匀温度场，而正是这种不均匀温变形的根本原因。本文根据等离子弧能量集中的特点选]中提及高斯热源模型作为等离子弧的热输入方式的描述而得到较理想的应力、应变数值结果。

12345是实际要加载的热流密度，单位为 w/m2。际模拟计算发现如图 3-1 所示的高斯热源模型需要在空间上分得很细，在时间上也要很多时间步进行迭代计算，计算量实际构件的成形工艺，需要在高斯热源基础上进行改进以简程可知，非均匀温度场主要由于移动热源高度集中、瞬时加分成若干段，在每一段（热源在 Z 轴方向移动距离 d）内的如图 3-2 所示的分段热源模型，再沿熔积轨迹顺序依次加热划分为一个时间步，避免了描述点状热源在该段内移动所需计算量。而且这种模型允许用较大的网格．可进一步缩短计分段热源模型，可假设在某段中的单元内同时加上高斯热源其热流密度分布如图 3-2。这种段状热源加热时间可以通过由两者加工时输入的热量相等求出。

【参考文献】：
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本文编号：2908915