板料激光弯曲成形的三维数值研究

摘要

板料激光弯曲成形是一种利用激光成形构件的柔性成形技术,其基本原理是利用高能激光束扫描金属薄板表面,在热作用区产生强烈的温度梯度,导致非均匀分布的热应力,使金属板料发生塑性变形从而最终实现无模成形.板料的变形归根结底取决于不同工艺参数以及不同扫描轨迹所引起的温度场形式及其诱发的应力场.而数值模拟方法是全面研究温度场和应力场的最佳选择.该文以平板激光单次扫描成形的过程为研究对象,应用通用有限元分析软件ANSYS对温度梯度机理下弯曲成形过程进行了三维数值研究.(1)根据激光弯曲成形过程的特点,建立温度场和应力应变场的有限元分析模型.(2)利用ANSYS中的二次开发语言APDL开发了分析激光弯曲温度场和应力应变场的程序,以实现求解过程的自动化.(3)研究给定技术参数下激光弯曲温度场的动态变化过程以及温度场的分布.数值模拟结果表明,在板厚方向形成高达850℃的温度差.(4)研究激光功率、扫描速度、光斑直径、板厚等技术参数对峰值温度、温度梯度以及600℃塑性区的影响规律.(5)研究给定技术参数下激光弯曲动态应力应变的变化过程及残余应力的分布.(6)研究激光功率、扫描速度、光斑直径、板厚、板宽等技术参数对弯曲角的影响规律.

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1前言

1.2激光弯曲成形技术的发展现状

1.3数值模拟技术在实践中的地位

1.4激光弯曲成形温度场和应力应变场的研究现状

1.5课题的技术路线及主要研究内容

2激光弯曲成形数值分析的基本原理

2.1激光弯曲成形的机理

2.2影响板料激光弯曲成形的主要因素

2.3数值方法

2.4温度场求解的基本原理

2.5应力应变场的基本原理

2.6 ANSYS通用有限元分析软件的介绍

3板料激光弯曲有限元模型

3.1物理模型

3.2网格划分

3.3激光弯曲温度场的计算模型

3.4激光弯曲应力应变场的计算模型

3.5 ANSYS中的计算流程

4温度场数值模拟的结果及分析

4.1激光弯曲温度场

4.1.1温度场的动态变化过程

4.1.2各方向的温度分布

4.1.3热循环曲线

4.2激光工艺参数对温度的影响

4.2.1激光功率对温度的影响

4.2.2扫描速度对温度的影响

4.2.3恒定线能量下扫描速度对温度的影响

4.2.4光斑直径对温度的影响

4.3板厚对温度的影响

4.4激光工艺参数对600℃塑性区的影响

4.4.1激光功率对600℃塑性区的影响

4.4.2扫描速度对600℃塑性区的影响

4.4.3恒定线能量下扫描速度对600℃塑性区的影响

4.4.4光斑直径对600℃塑性区的影响

5应力应变场数值模拟的结果及分析

5.1激光弯曲应力应变场

5.1.1激光弯曲的动态变化过程

5.1.2纵向应力σx的动态变化过程及残余应力分布

5.1.3横向应力σy的动态变化过程及残余应力分布

5.1.4对称面上x=0.02m处上、中、下三点的应力应变变化

5.2激光工艺参数对弯曲角的影响

5.2.1功率对弯曲角的影响

5.2.2扫描速度对弯曲角的影响

5.2.3恒定线能量下扫描速度对弯曲角的影响

5.2.4光斑直径对弯曲角的影响

5.3板料几何尺寸对弯曲角的影响

5.3.1板厚对弯曲角的影响

5.3.2板宽对弯曲角的影响

5.4模拟结果与试验结果的比较

6结论及建议

致谢

硕士研究生期间发表的论文

参考文献