復雜件等離子熔積成形過程有限元及無網格法模擬.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、冶金質量好、制件尺寸大及設備運行成本低等優(yōu)點。但成形中高能量等離子束移動熱源，會導致零件內溫度分布不均勻和表面明顯的階梯效應。因此，如何對成形系統(tǒng)的溫度進行有效控制和優(yōu)化，減少制件由于熱應力導致的熱裂紋，提高成形性與成品率，是該技術實用化的關鍵。
　　 論文在有限元ANSYS軟件系統(tǒng)的基礎上，考慮移動熱源和三維增材成形特點，基于熱力耦合數(shù)學物理模型，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方式轉移，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熱與成形開始后基板中水冷卻的等離子熔積成形復合溫控方案。論文進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，詳細評估了三種掃描路徑對成形溫度的影響，結果表明：與平行Z字式和交叉Z字式相比，內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上，開展成形試驗，成功制造出高溫合金復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，采用了六面體網格并盡量規(guī)則、均勻和細密。然而，零件本身及其與基板過渡區(qū)的四面體網格扭曲變形嚴重，不但給網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)點分布免疫的新型無網格法模擬等離子熔積三維復雜零件成形過程的溫度場與應力應變場。與有限元法相比，無網格法只需域內的節(jié)點信息

5、構造目標函數(shù)，從而避免了因單元網格嚴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，在無網格NS-PIM和ES-PIM法理論模型的基礎上，采用廣義光滑梯度技術修正協(xié)調梯度場，提出并建立了三維復雜形狀零件的增量動態(tài)非線性溫度場和應力應變場的數(shù)學模型，并依此開發(fā)了相應的無網格法程序系統(tǒng)。大量復雜問題的分析結果表明：在同一種節(jié)點分布條件下，所開發(fā)的無網格軟件可獲得“準”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)的有限單元法結果，并且在極不規(guī)則的節(jié)點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。研究結果表明：論文開發(fā)的無網格程序的計算效率遠高于經典無網格EFG、MLPG法以及標準的FEM。
　　 鑒于目前尚無成熟的無網格法計算力學軟件，論文基于面向過程的程序設計思想開發(fā)了復雜形狀零件非線性溫度及應力應變場分析的無網格程序系統(tǒng)，初步建立了一套溫