等离子熔射快速制模中涂层生长过程的宏细观连成数值模拟

摘要

在快速硬模制造技术中,等离子熔射快速模具制造方法具有不受基材尺寸、熔射材料种类等条件限制的特点,可由快速原型或天然素材原型通过复制得到用于批量生产的模具,因而受到人们的高度关注.熔射快速制模的关键问题是成形性与涂层质量,它们受到涂层孔隙、温度场和应力场的影响,因此,有必要系统研究工艺条件对其影响规律.该文采用基于匀质化理论的宏细观连成的数值模拟方法对熔射成形过程进行了系统研究.通过已建立的三维温度场、应力场数学力学模型,借助所开发的数值模拟软件,研究了喷枪扫描路径、送粉量、粉末材料性能和基底温度等熔射工艺参数对涂层生长过程的影响.最后,以薄板悬臂梁为例进行实验研究,同时利用热电偶和LVDT位移传感器,测量涂层生长过程中的温度和变形.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1课题来源

1.2课题的目的和意义

1.3国内外研究现状

1.3.1快速成形与快速制模

1.3.2等离子熔射成形过程模拟

1.3.3匀质化理论研究进展

1.4本文的研究内容

2涂层细观结构的模拟计算模型与方法

2.1引言

2.2熔融粒子扁平化

2.3孔隙形成

2.3.1喷枪倾斜状况

2.3.2堆积模型

2.4涂层堆积过程数值模拟

2.5孔隙率预测的实验验证

2.5.1实验原理与方案

2.5.2实验结果分析

2.6本章小结

3熔射涂层温度场的宏细观连成模拟计算模型

3.1引言

3.2基于匀质化理论的温度场计算模型

3.2.1匀质化理论

3.2.2温度场宏细观计算模型

3.3模型有限元数值求解

3.3.1宏观模型有限元离散化

3.3.2细观元胞模型有限元离散化

3.3.3匀质化热传导系数

3.3.4八节点等参单元

3.4计算模型与模拟软件的验证分析

3.4.1温度场计算结果对比

3.4.2热传导系数

3.4.3宏细观结合温度场分析

3.5本章小结

4熔射涂层应力场的宏细观连成模拟计算模型

4.1引言

4.2基于匀质化理论的应力场计算模型

4.2.1热应力宏细观计算模型

4.2.2材料非线性

4.3模型有限元数值求解

4.3.1宏观模型有限元离散化

4.3.2细观元胞模型有限元离散化

4.3.3匀质化材料系数

4.3.4宏观物理量的更新

4.3.5周期边界条件

4.4计算模型与模拟软件的验证分析

4.4.1应力场计算结果对比

4.4.2位移周期边界

4.4.3弹性矩阵

4.4.4热膨胀系数

4.5本章小结

5等离子熔射成形过程的数值分析与实验研究

5.1引言

5.2细观元胞

5.3计算时间步长

5.4熔射扫描路径

5.5喷枪送粉量

5.6涂层热膨胀系数

5.7基底温度

5.8实验验证

5.8.1实验原理与方案

5.8.2实验结果分析

5.9本章小结

6数值模拟软件的实现技术与并行计算探索

6.1引言

6.2软件系统设计

6.2.1功能需求

6.2.2模块结构

6.3面向对象的有限元程序设计

6.4大型稀疏矩阵的存储

6.5大型稀疏方程组的求解

6.6基于微机机群的并行计算

6.6.1 PVM系统

6.6.2迭代法并行求解

6.7本章小结

7结论与展望

致射

参考文献

附录1(作者在攻读博士学位期间发表的论文)