穿孔顶头等离子喷涂过程温度场与应力场有限元分析

摘要

穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，它的质量好坏，使用寿命的高低，对无缝钢管的质量、生产效率有很大的影响。因此，为了延长顶头的使用寿命，减少不必要的损耗，对顶头进行表面改性，从而提高其表面硬度、耐磨性及抗氧化性。等离子喷涂技术，可以有机的将基体与表面涂层的特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，获得理想的复合材料结构。因此本论文采用金属陶瓷颗粒作为穿孔顶头的喷涂材料，对喷涂后的顶头进行温度场及应力场的数值模拟。
　　 应用ANSYS有限元分析软件对穿孔顶头等离子喷涂及冷却过程进行数值模拟。建立计算模型时，采用沿喷涂方向微小逐段前进，厚度方向微小逐层叠加来模拟真实的喷涂及沉积过程，得到了涂层连续移动的基体和涂层的温度场分布及热应力分布。同时，为了进一步得到优质的复合涂层，在计算过程中通过改变基体温度，更换涂层材料，分析比较不同情况下顶头的温度场和应力场分布。
　　 结果表明WC作为涂层材料，基体温度为室温30℃时，随着喷涂的进行，热影响区域逐渐增大，在模型的不同区域由于热积累喷涂后表面最高温度增加。喷涂过程中，喷涂处涂层附近产生较大热应力，喷涂结束，应力逐渐减小。顶头经800s冷却至室温时，顶头涂层和涂层周围产生残余应力，最大残余应力出现在鼻部与径带连结处的涂层附近。对基体预热至200℃后进行喷涂，喷涂过程中涂层温度明显升高，热应力减小，顶头经1800s冷却至室温，残余应力大大减小。Al2O3作为涂层材料，基体温度为室温时，所得温度场及应力场结果与WC作为涂层材料时基本相同。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 等离子喷涂技术

1.1.1 概述

1.1.2 等离子喷涂原理与特点

1.2 穿孔顶头结构及失效分析

1.2.1 穿孔顶头结构

1.2.2 穿孔顶头的制作材料及制备工艺

1.2.3 穿孔顶头的失效分析

1.3 研究现状

1.3.1 有限元法在热喷涂中的应用现状

1.3.2 提高穿孔顶头使用寿命的研究进展

1.4 本文工作

第2章 基本理论分析

2.1 传热学基本理论

2.1.1 热量传递的基本方式

2.1.2 导热基本定律

2.2 温度应力基本理论

2.2.1 温度应力基本概念

2.2.2 温度应力计算式

2.3 热喷涂基本理论

2.3.1 热喷涂涂层

2.3.2 涂层残余应力

第3章 穿孔顶头模型建立

3.1 穿孔顶头物理模型的建立与简化

3.1.1 利用SolidWorks生成实体模型

3.1.2 利用对称性简化实体模型

3.2 穿孔顶头网格划分

3.3 穿孔顶头模型计算

3.4 基体及涂层材料

3.4.1 基体材料的选择

3.4.2 涂层材料的选择

3.4.3 基体及涂层材料物理参数

3.5 初始条件及边界条件

3.5.1 初始条件

3.5.2 边界条件

3.5.3 计算过程

第4章 温度场数值模拟

4.1 热传导分析有限元法简介

4.2 热传导问题的数学描述

4.3 温度场结果分析

4.3.1 以碳化钨为喷涂材料，基体初始温度30℃时温度场结果分析

4.3.2 以碳化钨为喷涂材料，基体初始温度200℃时温度场结果分析

4.3.3 以Al2O3为喷涂材料，基体初始温度30℃时温度场结果分析

4.4 本章小结

第5章 应力场数值模拟

5.1 热应力分析的有限元法简介

5.2 热应力分析的数学描述

5.3 热应力结果分析

5.3.1 以碳化钨为喷涂材料，基体初始温度30℃时应力场结果分析

5.3.2 以碳化钨为喷涂材料，基体初始温度200℃时应力场结果分析

5.3.3 以Al2O3为喷涂材料，基体初始温度30℃时应力场结果分析

5.4 本章小结

结论

1．总结

2．展望

参考文献

致谢

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