基于有限元模拟的TC4钛合金SEBM人工股骨干组织与力学分析

发布时间：2017-04-15 07:03

  本文关键词：基于有限元模拟的TC4钛合金SEBM人工股骨干组织与力学分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文设计并利用选区电子束熔化成型技术(SEBM)打印了TC4钛合金人工股骨干,并针对其组织和力学特性,借助有限元模拟方法开展相关的研究工作。通过模拟得到试验中难以观察和测量的数据,进而帮助加深对SEBM过程的理解,分析SEBM人工股骨干的组织和受力特点。为SEBM过程的研究提供理论支持,对工艺参数的优化以及结构的设计给予指导性建议。本文首先设计并使用Arcam Q20电子束熔化成型系统打印了TC4人工股骨干,采用金相和SEM手段对成型件表面和微观组织进行观察,成型件表面较为粗糙并有粉末颗粒烧结,内部有一些孔洞缺陷;成型件宏观组织为定向生长穿过整个成型件的柱状晶,微观组织为魏氏组织。其次,为了分析工艺过程成型件微观组织产生和转变的机制,以及柱状晶定向生长的机理和影响因素。测得了随温度变化的TC4粉末的热物理性能,并利用Marc及Fortran二次开发对SEBM热过程进行了有限元模拟,并从热力学角度进行了分析和解释。根据模拟结果,SEBM是一个快速升温和降温的过程,成型过程存在着较大的温度梯度。从热循环曲线来看,第n+1道扫描和第n+2道扫描都会对第n道形成的凝固组织产生影响,使其温度超过相转变温度,同时下一层的扫描也会对第n道产生相同影响。通过对比不同工艺参数下的熔池形貌,从理论上实现了对熔池以及柱状晶生长方向的控制。最后,根据实际工况对SEBM人工股骨干的力学性能从静力分析和模态分析两方面进行研究。对比了传统人工股骨干与SEBM人工股骨干在集中力载荷下的力学表现。发现SEBM人工股骨干由于其圆滑的外表使其在与骨水泥连接处的静力学表现上好于传统人工股骨干,应力集中不明显。但在骨曲柄与股骨干连接处的外凸式设计,使其在该处的等效应力大于内凹式的。在人工关节模态分析方面,获得了6阶频率与振型,并标注了各阶模态的振幅较大的位置。为以后的动态载荷分析工作提供了基础数据。
【关键词】：SEBM TC4人工股骨干 有限元模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.23;R318.08
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题的研究目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 SEBM工艺的研究现状10-14
• 1.2.2 SEBM过程模拟的研究现状14-15
• 1.2.3 人工髋关节的研究现状15-17
• 1.3 本课题的主要研究内容17-18
• 第2章 试验条件、方法及软件选取18-24
• 2.1 试验材料18
• 2.2 试验设备及原理18-22
• 2.2.0 试验设备18-20
• 2.2.1 试验过程20-21
• 2.2.2 粉末材料热物理性能测试21
• 2.2.3 组织分析21-22
• 2.3 模拟方法简介及主要软件选择22-24
• 2.3.1 有限元法简介22
• 2.3.2 MSC.Marc简介22-23
• 2.3.3 MSC.Nastran简介23-24
• 第3章 SEBM过程分析及试验24-32
• 3.1 引言24
• 3.2 SEBM的物理现象分析24-25
• 3.3 SEBM试验及组织分析25-29
• 3.3.1 人工股骨干的打印25-26
• 3.3.2 显微组织与缺陷观察26-29
• 3.4 物理性能参数的确定29-30
• 3.5 本章小结30-32
• 第4章 SEBM热过程模拟及结果分析32-47
• 4.1 前言32
• 4.2 有限元模型的建立32-35
• 4.2.1 几何模型的建立32-33
• 4.2.2 热源模型的建立33-34
• 4.2.3 初始条件及边界条件的定义34-35
• 4.3 温度场结果与分析35-43
• 4.3.1 温度场特征与组织成因分析35-39
• 4.3.2 扫描速度对温度场及晶粒生长的影响39-41
• 4.3.3 电子束功率对温度场的影响41-43
• 4.4 多层多道扫描温度场模拟结果与分析43-46
• 4.5 本章小结46-47
• 第5章 人工股骨干力学分析47-59
• 5.1 引言47
• 5.2 人工股骨干有限元模型的建立47-49
• 5.2.1 两种不同的人工股骨干几何模型的建立47-48
• 5.2.2 材料参数及边界条件48-49
• 5.3 静力学分析49-55
• 5.3.1 传统人工股骨干与SEBM人工股骨干的静力分析49-53
• 5.3.2 网格结构的影响53-55
• 5.4 人工股骨干模态分析55-57
• 5.4.1 模态分析的意义55
• 5.4.2 模态计算结果与分析55-57
• 5.5 本章小结57-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 致谢65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王华明;张述泉;王向明;;大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战(邀请论文)[J];中国激光;2009年12期

2 白木,周洁;金属钛的性能、发展与应用[J];矿业快报;2003年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 朱妙凤;电子束快速成型及其温度场模拟[D];上海交通大学;2008年

  本文关键词：基于有限元模拟的TC4钛合金SEBM人工股骨干组织与力学分析，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：307851