復(fù)雜件等離子熔積成形過程有限元及無網(wǎng)格法模擬.pdf

1、等離子熔積成形具有能量密度高、加熱速度快、成材范圍廣、冶金質(zhì)量好、制件尺寸大及設(shè)備運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。但成形中高能量等離子束移動熱源，會導(dǎo)致零件內(nèi)溫度分布不均勻和表面明顯的階梯效應(yīng)。因此，如何對成形系統(tǒng)的溫度進(jìn)行有效控制和優(yōu)化，減少制件由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱裂紋，提高成形性與成品率，是該技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。
　　 論文在有限元ANSYS軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮移動熱源和三維增材成形特點(diǎn)，基于熱力耦合數(shù)學(xué)物理模型，開發(fā)了隨熱源和熱邊界移動的

2、單元逐步激活與加載的等離子熔積制造APDL程序，系統(tǒng)地模擬研究了熱輻射效應(yīng)和工藝參數(shù)對高溫合金薄壁件成形過程溫度場的影響，綜合比較了循環(huán)水逐步淹沒基板、基板下火爐預(yù)熱與基板中循環(huán)水冷三種溫度控制系統(tǒng)。模擬所得合適工藝參數(shù)為：熔積電壓為30V，電流為70A，掃描速度為0.008m/s，冷卻水流速為1.6m/s，送粉速度為0.627g/s，基板材料為Q235B。論文首次明確指出高能束成形多余能量主要通過基板以熱傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移，輻射與對流造成的

3、熱損失只占總量的5%左右，最后提出了成形前基于零件幾何外形的基板局部預(yù)熱與成形開始后基板中水冷卻的等離子熔積成形復(fù)合溫控方案。論文進(jìn)一步研究了汽車翼子板模具(包括凸模和凹模)等離子熔積制造過程的溫度場分布及其變化規(guī)律，詳細(xì)評估了三種掃描路徑對成形溫度的影響，結(jié)果表明：與平行Z字式和交叉Z字式相比，內(nèi)外回形式掃描成形中零件的溫度及其梯度較低，溫度場分布較均勻。在以上模擬計算工作的基礎(chǔ)上，開展成形試驗，成功制造出高溫合金復(fù)雜雙扭渦輪件和葉片

4、樣件。
　　 在以上等離子熔積成形的有限元分析中，為了保證模擬計算精度和收斂性，采用了六面體網(wǎng)格并盡量規(guī)則、均勻和細(xì)密。然而，零件本身及其與基板過渡區(qū)的四面體網(wǎng)格扭曲變形嚴(yán)重，不但給網(wǎng)格劃分帶來了極大困難，大大增加了分析計算工作量，而且嚴(yán)重影響了有限元法的求解速度、精度、穩(wěn)定性及收斂性。為此，本文提出采用對節(jié)點(diǎn)分布免疫的新型無網(wǎng)格法模擬等離子熔積三維復(fù)雜零件成形過程的溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場。與有限元法相比，無網(wǎng)格法只需域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息

5、構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，從而避免了因單元網(wǎng)格嚴(yán)重扭曲造成的求解問題。
　　 論文基于廣義變分原理與G空間理論，在無網(wǎng)格NS-PIM和ES-PIM法理論模型的基礎(chǔ)上，采用廣義光滑梯度技術(shù)修正協(xié)調(diào)梯度場，提出并建立了三維復(fù)雜形狀零件的增量動態(tài)非線性溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的數(shù)學(xué)模型，并依此開發(fā)了相應(yīng)的無網(wǎng)格法程序系統(tǒng)。大量復(fù)雜問題的分析結(jié)果表明：在同一種節(jié)點(diǎn)分布條件下，所開發(fā)的無網(wǎng)格軟件可獲得“準(zhǔn)”精確的系統(tǒng)剛度，其數(shù)值解精度、收斂性及穩(wěn)定性均高于

6、傳統(tǒng)的有限單元法結(jié)果，并且在極不規(guī)則的節(jié)點(diǎn)分布條件下仍能給出滿意的數(shù)值精度。此外，論文首次系統(tǒng)地研究和比較了NS-PIM、ES-PIM、FEM與EFG和MLPG法的計算成本和效率。研究結(jié)果表明：論文開發(fā)的無網(wǎng)格程序的計算效率遠(yuǎn)高于經(jīng)典無網(wǎng)格EFG、MLPG法以及標(biāo)準(zhǔn)的FEM。
　　 鑒于目前尚無成熟的無網(wǎng)格法計算力學(xué)軟件，論文基于面向過程的程序設(shè)計思想開發(fā)了復(fù)雜形狀零件非線性溫度及應(yīng)力應(yīng)變場分析的無網(wǎng)格程序系統(tǒng)，初步建立了一套溫