FLUENT在等离子熔积成型过程中的应用

论文摘要

等离子熔积成型过程属于高能束快速成型的一种,具有加工材料广泛、成型速度快、设备简单、能制备大工件等优点,受到行业的广泛关注。加工过程中熔池内流动状态直接影响熔积层的性能,使用数值模拟技术分析熔池内的温度场、流场等具有重要的意义。基于有限差分法的商业软件FLUENT是专门的流体模拟软件,因此使用该软件分析加工过程中的熔池内流动规律。本文基于计算流体力学和工程传热学的基本原理,根据等离子熔积加工的特点,在FLUENT软件中实现了对等离子熔积成型过程的数值模拟,探讨了相关工艺参数对加工过程的影响。研究的重点是建立合理的三维数学物理模型,将热源模型和质量源模型在FLUENT中使用自定义函数实现。模拟一定工艺参数条件下的熔积加工过程,得到熔积层形貌以及温度场,反映熔池内流动状态。以镍基合金材料的熔积加工为例,对熔积一层时的模拟结果进行了分析,模拟结果与实验结果以及前人的经验吻合。在熔积形貌方面,模拟最终得到的熔积层在头部和侧面与底板以弧形均匀的连接在一起,这与实验得到的熔积层极为接近。温度场中,温度场轮廓由开始的圆形慢慢发展为椭圆形,熔池形态的变化与温度场的变化基本一致。熔池内流动状态也与以往模拟得到的熔池内流动状态相同。在第一层的基础上使用了同向和反向两种不同的方案进行了两层熔积加工,结果发现两种情况下熔积形貌并无太大差别。本实验室将等离子熔积成型系统与摆动焊接的原理相结合,进行了摆动熔积过程的研究,摆动过程为匀速来回运动。使用与线性熔积类似的边界条件和物性参数进行了摆动熔积过程模拟。模拟结果表明,摆动会导致熔积中心线附近的热源集中、熔积粉末集中。结果熔积中心附近熔池变得狭长,容易形成两个相连的熔池;经过多次重熔、重复送粉,熔积层的高度变高,表面也更平坦。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 等离子熔积过程的特点及关键工艺参数
• 2.1 等离子熔积成型原理及系统组成
• 2.2 等离子熔积成型的特点
• 2.3 等离子熔积加工主要工艺参数
• 2.4 本章小结
• 3 熔积成型过程在FLUENT 中的解决方案
• 3.1 FLUENT 软件的特点及计算步骤
• 3.2 控制方程
• 3.3 模拟过程中的假设
• 3.4 物理模型的选择
• 3.5 本章小结
• 4 等离子熔积成型过程数值模拟在FLUENT 中的实现
• 4.1 模拟中关键问题的解决和处理方案
• 4.2 模拟前处理及边界条件
• 4.3 FLUENT 中计算格式、参数的设定
• 4.4 本章小结
• 5 模拟结果及分析
• 5.1 引言
• 5.2 线性焊接过程计算结果分析
• 5.3 多层熔积结果分析
• 5.4 摆动焊接过程结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献