激光直接成形瞬态温度场的数值模拟

发布时间：2016-12-02 21:00

  本文关键词：激光熔凝和激光熔覆的数学模型及数值分析，，由笔耕文化传播整理发布。

《燕山大学》 2010年

激光直接成形瞬态温度场的数值模拟

李建光  

【摘要】： 激光直接成形技术(LDF—Laser Direct Forming)是基于离散/堆积成形思想的新型制造技术,该技术是快速制造技术(RM—Rapid Manufacturing)的一种常用技术,也是目前主要采用的金属零件激光快速成型技术。RM技术与快速原型技术(RP—Rapid Prototyping)一起(通常称为RP/RM)被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破,其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。 RP/RM技术不同于传统的零件加工方法,而是根据虚拟三维实体模型生成的分层信息,在计算机的控制下,逐点逐层(道)堆积并最终成形出所需的零件。金属零件激光直接成形过程中的温度场、热应力场的研究是国家“973”新材料领域计划项目中的重要研究内容。 本文围绕着激光直接成形的温度场、热应力场和位移场的有限元数值模拟展开研究,完成了如下研究内容: (1)恰当地建立了激光直接成形的温度场、热应力场和位移场的有限元模型。 (2)处理了温度场模拟过程中部分高温物性参数,使温度场模拟时物性参数的选取更合目的性,更为精确。 (3)在连续移动三维瞬态激光熔池温度场有限元模拟的基础上,利用ANSYS有限元软件中的‘生死单元’技术,建立了金属薄壁零件激光直接成形过程的三维瞬态温度场有限元计算模型,模拟了不同工艺参数下该过程的温度场,分析了成形过程中基板及熔覆层温度的变化,获得了激光直接成形的温度变化规律。 (4)利用ABAQUS软件解决了部分特殊工艺特征点在热应力场和位移场模拟过程中的处理与实现问题。通过模拟得出了多道激光熔覆过程中基板温度场、应力场、位移场的分布及变化规律。

【关键词】：
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TG665
【目录】：

摘要4-5

Abstract5-10

第1章 绪论10-18

1.1 研究背景10

1.2 激光直接成形技术简介10-12

1.3 激光直接成形过程温度场数值模拟的研究情况12-16

1.3.1 研究现状12-16

1.3.2 目前存在的主要问题16

1.4 研究内容16-17

1.5 研究目的17-18

第2章 激光直接成形温度场求解的基本理论18-31

2.1 热源模型18-20

2.1.1 经典的解析热源模型18-20

2.1.2 有限元法建立热源模型20

2.2 金属粉末输送过程对激光吸收率的影响20-21

2.3 温度场与导热微分方程21-25

2.4 热对流与辐射25-27

2.4.1 热对流25-26

2.4.2 热辐射26-27

2.5 温度场边界条件27-30

2.6 本章小结30-31

第3章 激光直接成形温度场的数值模拟31-66

3.1 有限元软件简介及温度场数值模拟的意义31-32

3.1.1 商用软件概况31

3.1.2 温度场数值模拟的意义31-32

3.2 激光直接成形瞬态温度场数值模拟的算法思想32-33

3.3 激光直接成形金属零件瞬态温度场模拟33-48

3.3.1 激光直接成形金属零件的有限元模型33-34

3.3.2 激光直接成形温度场边界条件34-36

3.3.3 材料比热的选择与处理36-48

3.4 激光直接成形瞬态温度场的特点48-55

3.5 工艺参数对激光直接成形瞬态温度场的影响55-64

3.5.1 激光功率对温度场的影响55-59

3.5.2 扫描速度对温度场的影响59-61

3.5.3 光斑直径对温度场的影响61-63

3.5.4 基板尺寸对温度场的影响63-64

3.6 本章小结64-66

第4章 激光表面熔覆应力场和变形的数值模拟66-98

4.1 前言66

4.2 热应力场数值模拟66-74

4.2.1 热应力场数值模拟的特点66-67

4.2.2 热弹—塑性有限元基本方程67-74

4.3 位移场数值模拟74-76

4.3.1 有限元基本方程74-76

4.3.2 应力场数值模拟与温度数值模拟的关系76

4.4 模型的建立76-79

4.4.1 几何模型的建立76-77

4.4.2 边界条件的确定77-78

4.4.3 计算模型中材料热物性参数78-79

4.5 激光表面熔覆的温度场分析79-86

4.5.1 激光功率对温度场的影响79-81

4.5.2 扫描路径对温度场的影响81-84

4.5.3 扫描速度对温度场的影响84-86

4.6 多道熔覆应变场、应力场和位移场的分析86-97

4.6.1 激光功率对熔覆道中点应变的影响86-87

4.6.2 扫描路径对熔覆道中点应变的影响87-89

4.6.3 扫描速度对多道熔覆过程中应变场的影响89-90

4.6.4 扫描路径对熔覆道中点应力的影响90-91

4.6.5 扫描速度对应力场的影响91-92

4.6.6 激光功率对应力场的影响92-93

4.6.7 激光功率对位移场的影响93-94

4.6.8 扫描路径对位移场的影响94-96

4.6.9 扫描速度对位移场的影响96-97

4.7 本章小结97-98

结论98-99

参考文献99-106

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果106-107

致谢107-108

作者简介108

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本文编号：202672