等离子熔积成形金属零件数值模拟

论文摘要

等离子熔积直接成形技术是属于快速制造（RM）的一种工艺,它是直接基于零件的三维CAD模型,在高功率的等离子热源作用下,按照分层的加工路径,粉末熔化堆积逐层生长,最终能够形成满密度的金属零件,通过在特定位置改变粉末成分的方法,可以加工梯度功能材料零件。目前该技术实用化需要解决的关键问题是选择合适的工艺参数,所以有必要借助有限元模拟方法,分析和掌握成形过程温度分布和变化规律,为工艺参数选择提供参考。本文基于三维传热学理论与弹塑性理论,结合等离子成形实际特点,建立了等离子熔积成形过程三维有限元模型,对其过程进行了数值模拟分析。有限元计算所采取的热源为高斯热源模型,并对其作了离散简化处理,选取对流换热作为计算边界条件类型,建立等离子熔积成形三维传热模型。基于线热应力理论,选取了先弹性分析中广泛使用的牛顿-拉布拉斯增量迭代法来计算热应力。根据等离子熔积成形特点,对熔积体进行六面体单元映射网格划分,基板进行四面体单元自由网格划分。最后,使用二次开发语言APDL编写参数化等离子熔积成形金属零件有限元分析程序。在参数化分析程序基础上,对等离子熔积成形翼子板模具和蒙皮模具支撑件过程进行数值模拟。结果表明,成形件平均温度不断升高,但温差随时间逐渐减小,温度分布更加均匀;残余应力分布主要是沿着熔积路径而分布,且在成形件头尾部及曲率最大的区域残余应力值较大。计算分析了不同工艺参数对成形件的影响,结果表明,优化等离子热源加载路径可以改善成形性,环形加载路径较交叉Z字路径可以改善热应力场均匀性,减小翘曲变形;预热相比于水冷能够减小应力峰值,改善应力集中现象。最后对成形件温度场进行了测量,计算结果与测量值基本吻合,证明了有限元模型的合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、意义和目的
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题意义和目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高能束直接快速成形研究进展
• 1.2.2 高能束快速成形数值模拟研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 2 等离子熔积成形基本原理及成形制造系统
• 2.1 PPDM 基本原理
• 2.2 PPDM 技术特点
• 2.3 等离子熔积成形系统
• 2.4 本章小结
• 3 PPDM 过程有限元理论
• 3.1 有限元分析软件ANSYS 简介
• 3.1.1 ANSYS 基本组成及特点
• 3.1.2 ANSYS 参数化语言APDL 简介
• 3.2 等离子熔积成形温度场计算模型
• 3.2.1 等离子弧移动热源计算模型
• 3.2.2 PPDM 过程传热温度场计算模型
• 3.3 PPDM 过程应力场计算模型
• 3.4 弹塑性增量分析有限元理论
• 3.5 本章小结
• 4 PPDM 有限元分析计算过程
• 4.1 前处理过程
• 4.1.1 材料物性参数定义
• 4.1.2 网格单元定义与网格划分
• 4.2 分析求解过程
• 4.2.1 边界条件定义
• 4.2.2 施加载荷
• 4.2.3 收敛控制选项设置
• 4.3 本章小结
• 5 等离子熔积成形翼子板模具数值模拟
• 5.1 计算实现过程
• 5.1.1 网格划分
• 5.1.2 计算条件
• 5.2 计算结果分析
• 5.2.1 熔积成形过程温度场特点
• 5.2.2 FGM 模具材料分布对温度场影响
• 5.2.3 扫描路径对成形件的影响
• 5.3 本章小结
• 6 等离子熔积成形蒙皮模具支撑件数值模拟
• 6.1 计算实现过程
• 6.2 温度场结果分析
• 6.3 实验验证分析
• 6.4 应力场结果分析
• 6.4.1 应力分布特点
• 6.4.2 不同工艺措施（预热和水冷）结果分析对比
• 6.4.3 不同熔积路径下结果分析对比
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士期间发表论文