送粉式激光熔覆质量预测与熔覆过程数值模拟

论文摘要

送粉式激光熔覆因其具有工艺参数可控、对激光能量吸收率高、无内部气孔、生产效率高、熔覆材料和基体材料同时加热等诸多优点,展示出极强的研究开发价值。本文在跟踪、查阅国内外相关理论、应用研究现状的基础上,针对以下几方面展开研究:(1)将多元线性回归模型和遗传神经网络对比应用于激光熔覆质量预测。结果表明:多元线性回归分析应用于激光熔覆的质量预测是可行的;多元线性回归分析与遗传神经网络相比较,前者能直观获得熔覆层宽、高、基体熔深与规范参数之间的定量函数关系,更为方便,一般情况下应优先选用;后者预测精度相对较高,但运算过程相对复杂,更适合精度要求较高的场合。(2)建立了同轴送粉式激光熔覆的解析模型,确定出了不同工艺参数下的激光束能量的重分配比例,计算出了粉末粒子在飞行过程中的温升。并发现粉末粒子的温升与激光功率呈近似线性关系。(3)首次将数学解析模型与有限元模型结合,模拟激光熔覆过程的温度场分布。将粉末粒子在飞行过程中的温升作为初始温度场加载给基体,基体吸收的能量包括激光束能量重分配后基体直接吸收部分和通过加热粉末粒子传递给基体的能量,模拟所得熔池形貌与试验结果相吻合。模拟结果表明熔覆层上某点热循环曲线的升温过程近似呈直线垂直上升,降温曲线近似呈双曲线的一支,并且发现预热过程不能改变双曲线的开口大小和形状,但随着预热温度的增高,双曲线沿纵坐标上移。(4)模拟了多道次激光熔覆温度场,模拟发现多道熔覆工件表面温度场呈后拖的偏椭圆状,即温度场椭圆不以光斑中心对称,而是偏向已形成熔覆层的一侧。同时分析了不同工艺参数对温度场分布的影响,分析认为预热、增大激光功率、减小扫描速率、减小送粉速率等均可以减小熔覆层开裂倾向,但作用效果却有所不同,实际生产中应将这几种工艺参数配合调节。(5)在对送粉式激光熔覆应力产生机理进行深入分析的基础上,结合应力场数值模拟分析,研究了熔覆层裂纹产生过程及机理,结果表明熔覆层中心偏基体一侧是裂纹敏感区,该区域处于纵向拉伸、横向和厚向压缩的第三类主应变状态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 激光熔覆目前存在的主要问题
• 1.3 理论模型的研究现状
• 1.4 激光熔覆数值模拟研究现状
• 1.5 数值模拟技术发展趋势及分析
• 1.6 本课题的选题意义及主要研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 本课题研究内容
• 第2章 送粉式激光熔覆质量预测
• 2.1 试验材料和方法
• 2.2 基于多元线性回归的激光熔覆质量预测
• 2.2.1 熔覆层形貌及熔深试验检测
• 2.2.2 多元线性回归模型
• 2.2.3 模型验证及误差分析
• 2.3 遗传算法和神经网络基本原理与MATLAB实现
• 2.3.1 遗传算法和神经网络的基本原理
• 2.3.2 BP神经网络模型的构建
• 2.3.3 基于遗传算法的神经网络优化
• 2.4 基于遗传算法和神经网络的激光熔覆质量预测
• 2.4.1 熔覆形貌预测
• 2.4.2 稀释率预测
• 2.5 本章小结
• 第3章 送粉式激光熔覆过程的解析模型
• 3.1 激光与粉末的交互作用
• 3.2 基体材料与激光束作用
• 3.3 粉末达到基体前的温升
• 3.4 本章小结
• 第4章 送粉式激光熔覆过程的温度场有限元分析
• 4.1 有限元分析模型
• 4.1.1 物理模型假设
• 4.1.2 热源模型
• 4.2 单道激光熔覆过程中的温度场模拟
• 4.2.1 材料热物性参数
• 4.2.2 激光熔覆温度场模拟的实现
• 4.2.3 模拟结果与验证
• 4.3 工艺参数对激光熔覆温度场的影响
• 4.3.1 预热温度对熔覆层温度场的影响
• 4.3.2 激光功率对激光熔覆温度场的影响
• 4.3.3 扫描速率对激光熔覆温度场的影响
• 4.4 多道搭接激光熔覆温度场数值模拟
• 4.4.1 多道搭接激光熔覆模型
• 4.4.2 多道搭接激光熔覆模拟结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 送粉式激光熔覆过程的应力分析与模拟
• 5.1 激光熔覆应力产生机理分析
• 5.2 基于温度场的热应力场计算模型
• 5.2.1 凝固裂纹产生机理
• 5.2.2 初始条件和边界条件
• 5.2.3 定义力学性能参数
• 5.2.4 熔覆材料熔覆及凝固的模拟
• 5.3 应力场模拟结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢