选择性激光烧结的三维有限元模拟

摘要

选择性激光烧结是使用激光来烧结粉末材料加工实体零件的快速成型技术.这种加工方法缩短了设计和制造产品的周期,因而减少了开发费用和提高了新产品的竞争力.选择性烧结加工是利用激光扫描粉床熔融粉末来形成烧结层的热作用过程.每烧结完一层,加工缸就下降,供粉缸上升,重新铺粉后继续烧结,最后,形成了整个零件.这种层层叠加的制造技术会影响零件的表面光洁度和尺寸精度.烧结加工过程中由于热作用和相变不可避免的伴随着材料的收缩.其中热作用过程是主要因素.成形过程中温度场是复杂多变的,这样的温度场会引起应力场而使得零件发生变形.对于这种现象,大多的研究停留在实验阶段通过线性补偿的方法来减少误差.但没有从根本上解决问题.为了解决上述问题,有限元仿真的方法被提了出来.ANSYS是一种功能强大的有限元分析软件,在许多领域都有着广泛的应用.ANSYS可以高度逼近非线性瞬态热分析问题,并且有处理相变的能力.利用ANSYS,模拟得到SLS的温度场,应力场,目的是通过ANSYS模拟SLS过程,得到制件的变形量,然后,通过改进扫描轨迹来提高制件的精度.为了实现上面的目的,需要使用参数化设计语言对热移动载荷,时间步,生死单元来编程实现.本文分析了用ANSYS模拟的一些关键问题,比如模型建立和网格划分,激光加热热流的处理和加载,生死单元和边界条件的处理等.通过模拟,得到了烧结件的温度变化趋势和变形情况,得到的结论对提高制件精度有指导意义,为扩大选择性激光加工技术的应用范围提供了有益的指导,促进了有限元理论的应用.

目录

文摘

英文文摘

本人声明

1、绪论

1.1 SLS技术的基本原理及其优势

1.2快速成形制造的基本过程

1.3课题依据及意义

1.4 SLS技术的国内外研究现状及存在的问题

1.4.1国外研究现状

1.4.2国内研究现状

1.5论文的主要工作

2、有限元法与ANSYS软件

2.1有限元法

2.1.1有限元方法介绍

2.1.2典型分析步骤

2.2有限元软件ANSYS

2.2.1 ANSYS的功能

2.2.2 ANSYS的特点

2.2.3软件的结构

3、SLS过程有限元分析理论

3.1烧结过程有限元分析的特点

3.2烧结模型

3.3 SLS温度场的分析理论

3.3.1 SLS烧结传热的基本形式

3.3.2有限元基本方程

3.3.3非线性瞬态热传导的有限元分析

3.4应力场的分析理论

4、计算模型

4.1热源模型

4.1.1高斯函数分布的热源模型

4.2材料物理性能参数

4.2.1导热系数

4.2.2比热

4.3边界换热系数

4.4表面热损失

4.4.1辐射换热

4.4.2对流换热

4.5相变潜热

4.5.1等温法

4.5.2比热容突变法

5、基于ANSYS的模拟计算过程

5.1温度场的计算

5.1.1前处理

5.1.2加载计算

5.1.3后处理

5.2应力场的计算

5.3计算结果分析

6、粉末烧结的模拟计算

6.1模型假设

6.2温度场的计算

6.2.1建立有限元模型

6.2.2加载计算

6.2.3计算结果及分析

6.3变形的计算

6.3.1建立有限元模型

6.3.2加载计算

6.3.3计算结果及分析

7、全文总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢