基于多场耦合仿真的脉冲电化学加工温度域的研究

摘要

脉冲电化学加工能够显著改善电化学加工间隙过程的理、化特性，提高加工精度和表面质量。但是，脉冲电化学加工也具有直流电化学加工的局限性和缺点，为解决其存在的不足，需要对加工过程进行仿真模拟。
　　在电化学加工中，加工区域的温度分布会影响电导率和电流效率，从而影响加工精度。因此，本课题主要研究脉冲电化学加工过程中温度场的分布，通过多场耦合仿真，实现阳极型面的最终预测，减少试验次数，缩短阴极修整时间，节约加工成本。
　　基于多离子传输与反应模型进行电化学加工仿真模拟，真实地反映出离子的电迁移、扩散和对流现象以及并发的电极反应（如阳极金属溶解和氧气析出）。通过仿真分析，拟合出电流效率—电流密度的函数表达式，并探明温度对电流效率、电导率和电极极化的影响规律。
　　基于电压模型建立脉冲电化学加工的多场耦合仿真模型，研究单个脉冲周期内加工间隙的温度变化规律，探究各工艺参数对加工间隙温度分布的影响关系。同时，在模型中引入电流效率—温度和电导率—温度函数表达式，利用COMSOLwith MATLAB软件对脉冲电化学加工的全过程进行动态仿真。
　　通过平板电极电化学加工实验和叶片电化学加工实验，验证了多离子传输模型对电流效率仿真计算的可靠性，而基于电压模型的叶片电化学加工动态仿真存在误差，需要进一步优化。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 电化学加工原理

1．1．2 脉冲电化学加工

1．2 电化学加工仿真模拟国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题来源、目的及意义

1．3．1 课题来源

1．3．2 课题目的及意义

1．4 课题主要研究内容

第2章 脉冲电化学加工机理研究

2．1 脉冲电化学加工机理

2．1．1 脉冲电化学加工原理

2．1．2 电化学离子反应过程

2．2 电化学加工基本规律

2．2．1 法拉第定律

2．2．2 加工速度

2．3 影响电化学加工的主要因素分析

2．3．1 加工问隙

2．3．2 电场分析

2．3．3 流场分析

2．3．4 温度场分析

2．4 本章小结

第3章 基于多离子传输模型的温度域研究

3．1 多离子传输理论

3．1．1 电迁移

3．1．2 对流

3．1．3 扩散

3．1．4 水缺失系数

3．2 多场耦合仿真模型

3．2．1 COMSOL Multiphsics软件介绍

3．2．2 多场耦合原理

3．2．3 电场

3．2．4 流场

3．2．5 传热场

3．2．6 稀物质传递

3．3 平板电极多场耦合仿真与结果分析

3．3．1 几何模型

3．3．2 加工区域离子浓度分布

3．3．3 平均扩散系数变化

3．3．4 加工区域温度分布

3．3．5 阳极电流密度变化

3．3．6 电流效率曲线变化

3．4 温度的影响

3．4．1 温度对电导率的影响

3．4．2 温度对极化曲线的影响

3．4．3 温度对电流效率曲线的影响

3．4．4 脉冲电源对温度的影响

3．5 本章小结

第4章 基于电压模型的温度域研究

4．1 仿真理论

4．1．1 仿真几何模型

4．1．2 电场模型

4．1．3 流场模型

4．1．4 传热模型

4．2 耦合与仿真

4．2．1 耦合策略

4．2．2 仿真参数

4．3 仿真结果分析

4．3．1 占空比对极间温度的影响

4．3．2 加工电压对极间温度的影响

4．3．3 入口压力对极间温度的影响

4．3．4 加工间隙对极间温度的影响

4．4 加工过程动态仿真

4．4．1 COMSOL with MATLAB软件介绍

4．4．2 动态仿真方法

4．4．2 仿真结果分析

4．4 本章小结

第5章 实验验证

5．1 平板电极电流效率曲线实验验证

5．1．1 电流效率测量原理

5．1．2 实验装置

5．1．3 工艺实验参数

5．1．4 工件加工前处理

5．1．5 工艺实验结果

5．1．6 仿真与试验对比

5．2 叶片多场耦合电化学加工实验验证

5．2．1 实验方法

5．2．2 实验装置

5．2．3 实验结果与分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况