多材料双通道激光熔覆过程的计算机仿真

摘要

在激光快速成型过程中，激光熔覆技术是现代激光加工表面强化处理技术中最活跃的研究热点，具有加热速度和冷却速度快的特点，是改善工件表面的耐蚀、耐磨、抗氧化以及强度等性能的一种有效手段。激光熔覆过程中，要保证送粉的均匀性、稳定性、可控性以及熔池和其周围热影响区的组织和性能，因此研究激光熔覆技术工艺过程中喷嘴内的流场变化规律以及基体在熔覆过程中的瞬态温度场和应力场对研究喷嘴的结构优化设计以及基体内熔池的变化规律具有重要意义。
　　本文研究了激光熔覆载气式同轴送粉粉末颗粒的汇聚特性以及基体的温度场与应力场的分布情况。采用气体-粉末两相流理论以及双通道流对载气式同轴送粉喷嘴内的流场进行了数值模拟，应用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末颗粒的运动轨迹。最后对激光熔覆过程通过多物理场耦合程序MPCCI平台：FLUEN T采用标准k湍流模型对喷嘴内的流动过程进行了分析；ABAQUS采用耦合温度位移模型对基体的传热过程以及热力耦合进行了流-固-热数值模拟。根据喷嘴的结构特点建立了喷嘴的三维几何模型，首先设置了不同大小的保护气体速率以及不同大小的颗粒粉末流量，对其流场进行了有限元仿真分析，分别得到了不同状态下流场内粉末颗粒质量浓度的分布情况，其次，针对流场高度为20mm时，对其进行了流-固-热耦合计算，得到了激光熔覆过程中基体熔池内的瞬态温度场以及应力场的分布情况。分析得到以下结果：粉末颗粒在距喷嘴距离15-20mm之间具有最佳汇聚特性；在其他工艺条件不变的情况下，随着保护气体的增大，粉末颗粒质量流量逐渐减小，粉末聚集的汇聚平面逐渐拉长，而随着粉末送粉流量的增大，粉末颗粒的质量流量逐渐增大，粉末聚集的汇聚平面大小不变；在多物理场耦合作用下熔池温度场的分布线呈椭圆形，其温度场与应力场均随时间变化到一定时间时基板的熔池中心点趋于稳定状态。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 激光熔覆技术简介

1.1.1 激光熔覆技术发展过程及其特点

1.1.2 激光熔覆材料

1.1.3 激光熔覆技术工艺方法

1.2 激光熔覆数值模拟的进展

1.2.1 激光熔覆粉末颗粒流场的模拟

1.2.2 激光熔覆温度场与应力场的模拟

1.3 激光熔覆技术存在的问题及发展前景

1.3.1 激光熔覆技术存在的问题

1.3.2 激光熔覆技术的发展前景

1.4 课题研究的意义及主要内容

1.4.1 本文的研究意义

1.4.2 本文的主要研究内容

第2章 激光熔覆数值计算理论

2.1 计算流体动力学理论

2.1.1 流场连续相控制方程

2.1.2 流场离散相控制方程

2.1.3 控制方程的离散化

2.1.4 湍流模型

2.2 计算结构力学理论

2.2.1 弹塑性基本理论与有限元法

2.2.2传热性理论与有限元法

2.3 所用软件的介绍

2.3.1 ABAQUS软件的介绍

2.3.2 F LUENT软件的介绍

2.3.3 MPCCI软件的介绍

第3章 激光熔覆数值模型

3.1 激光熔覆热源模型

3.2结构场计算模型

3.3流场计算模型

第4章 激光熔覆过程的粉光系统的设置

4.1 喷嘴粉光匹配状态的选定

4.2基体表面位置的确定

第5章 激光熔覆过程的有限元分析

5.1 流场的有限元分析

5.1.1 保护气体的速率对流场的影响

5.1.2粉末流量对流场的影响

5.2 流固热耦合计算结果

结论

参考文献

致谢

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