基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律.结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化.模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律.     

铝合金微滴打印沉积制造中热应力3D动态仿真分析研究

翘曲、分层、开裂是7075铝合金微熔滴沉积制造过程中常见的缺陷,其原因主要是沉积制造过程中存在较大的温度梯度和热应力集中。为了探究热变形、翘曲和开裂的形成机理,采用有限单元法和单元生死技术,通过ＡＰＤＬ(ANSYS)编程,建立了气动按需熔滴沉积成形温度和热应力计算模型,分析了7075铝合金微熔滴逐点、逐层沉积三维制件过程中温度和热应力的动态演变规律。并使用7075铝合金微滴,在相同初始边界条件和工艺参数下进行了沉积试验,模拟结果与7075铝合金制件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好地反映了实际成形过程中零件的温度和热应力场变化规律,为减少或消除铝合金微熔滴沉积制造过程的缺陷提供了理论依据,从而促进了该技术在高熔点合金零件制备中的应用。     

7075铝合金微滴打印沉积制造中热力耦合3D动态仿真分析研究（英文）

翘曲、分层、开裂是7075铝合金微熔滴沉积制造过程中常见的缺陷,其原因主要是沉积制造过程中存在较大的温度梯度和热应力集中。为了探究热变形、翘曲和开裂的形成机理,采用有限单元法和单元生死技术,通过APDL(ANSYS)编程,建立了气动按需熔滴沉积成形温度和热应力计算模型,分析了7075铝合金微熔滴逐点、逐层沉积三维制件过程中温度和热应力的动态演变规律。并使用7075铝合金微滴,在相同初始边界条件和工艺参数下进行了沉积试验,模拟结果与7075铝合金制件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好地反映了实际成形过程中零件的温度和热应力场变化规律,为减少或消除铝合金微熔滴沉积制造过程的缺陷提供了理论依据,从而促进了该技术在高熔点合金零件制备中的应用。     

铝合金微熔滴沉积成形过程中缺陷形成机理研究

针对铝合金微熔滴沉积成形过程中存在的缺陷问题,沉积制备了7075高强铝合金试样,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)等分析测试手段对其内部缺陷形貌进行观察,进而研究不同类型缺陷的形成机理。结果表明:铝合金微熔滴沉积成形件内部缺陷主要有孔洞和裂纹。其中孔洞缺陷包括间隙孔洞和凝固收缩孔洞;裂纹包括熔合线裂纹和细微热裂纹,其形成与延展和成形件内部残余热应力集中效应、熔滴重熔效果以及晶粒生长状况等因素有关。在此基础上提出减少或消除各类缺陷的方法,从而促进了该技术在高熔点合金零件制备中的应用。     

预热对Al2O3陶瓷激光熔覆层温度梯度影响的模拟

针对铝合金微熔滴沉积成形过程中存在的缺陷问题,沉积制备了7075高强铝合金试样,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)等分析测试手段对其内部缺陷形貌进行观察,进而研究不同类型缺陷的形成机理.结果表明:铝合金微熔滴沉积成形件内部缺陷主要有孔洞和裂纹.其中孔洞缺陷包括间隙孔洞和凝固收缩孔洞;裂纹包括熔合线裂纹和细微热裂纹,其形成与延展和成形件内部残余热应力集中效应、熔滴重熔效果以及晶粒生长状况等因素有关.在此基础上提出减少或消除各类缺陷的方法,从而促进了该技术在高熔点合金零件制备中的应用.     

金属微喷熔滴沉积成型工艺数值模拟

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构（PLIC）构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明：确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350K的不锈钢基板上以1.5m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

金属微喷熔滴沉积成形工艺数值模拟与验证

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构(PLIC)构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明:确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350 K的不锈钢基板上以1.5 m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

等离子沉积直接成形传热传质与晶粒生长多尺度数值模拟

运用有限容积法(FVM)对等离子沉积直接成形(PDM)过程中的沉积层温度场、熔池液相流动场进行了数值模拟.采用水平集方法追踪液/气界面演变过程,采用焓孔隙率法处理固/液相变过程,并采用Monte Carlo(MC)方法模拟沉积温度载荷作用下成形件热影响区(HAZ)组织的晶粒长大过程.基于所提出的FVM-MC法耦合的宏/微观统一模型模拟了镍基高温合金K163薄壁零件PDM过程中沉积层HAZ晶粒的生长过程,预测了在重复热冲击作用下热影响区晶粒长大与转变过程.模拟结果表明,热冲击频率与温度幅值直接决定热成形件的组织形态;热扫描速度影响熔池液相流动与温度场分布,从而间接决定了成形件的最终晶粒尺寸与分布.随着热扫描速度的增加,成形件晶粒趋于细化.在保证粉末充分熔融条件下,提高热扫描速度可以细化HAZ的晶粒尺寸.     

基于水平集方法的薄壁件堆焊成形数值分析

针对薄壁零件在微束等离子堆焊过程中的成形特点展开研究. 采用有限元软件COMSOL对薄壁件堆焊层熔池进行温度场仿真,由于横截面散热条件较差,热累积明显,温度场分布呈现上“拱桥”下“水平”的特点. 建立熔池自由表面变形的数学模型,采用水平集方法模拟熔池表面变形及凝固过程,并对影响熔池成形尺寸的因素进行探讨. 结果表明,表面张力系数和接触角越大,熔池在宽度方向尺寸越小,高度方向尺寸越高. 通过与试验焊缝对比,该模型能够较准确的反映薄壁零件单层堆焊的形貌特点.     

激光熔化沉积AlSi10Mg成形特性及力学性能

目的研究激光熔化沉积Al Si10Mg铝合金的成形特性及力学性能。方法以颗粒度45～105μm的Al Si10Mg粉末为材料,6061铝合金为基板,利用光纤激光器在充氩舱内分别进行单层单道、竖直薄壁单墙体与倾斜薄壁墙体的成形试验。测试单墙体的抗拉强度与延伸率,并通过扫描电子显微镜和光学显微镜对微观组织形貌进行分析。结果单层单道沉积层高度与激光扫描速度负相关,与送粉速度成线性正相关;而沉积层宽度与扫描速度负相关,与激光功率正相关。沉积单墙体时,沉积前10层最不稳定,墙体厚度低于后续层的厚度。为了使沉积过程稳定,墙体不塌陷,通过激光功率在前20层左右逐层递减,成功制备出250层(高10cm)以上的单墙体。工艺选取合适时,AlSi10Mg具有良好的成形能力,激光头角度保持竖直不变,墙体倾角60°以下可以稳定沉积。制备沉积态Al Si10Mg气孔率约3%,抗拉强度250MPa左右,延伸率5%以上,抗拉强度高于成分相似的ZL104铸件25%。微观组织内Al-Si共晶细小,没有针片状共晶组织,并且组织沿沉积方向呈现周期性变化。结论 Al Si10Mg在激光熔化沉积时具有良好的成形能力,沉积态的组织强度高于铸态组织强度。优化后的工艺可以稳定沉积制备下圆上方的变截面薄壁样件。     

基于红外热像的激光微细丝成形过程热累积研究

激光微细丝增材制造技术是一种能快速成形小型零件的制造技术,但由于受制造过程中热累积效应的影响,往往无法保证对成形零件的精准控形控性。针对这一问题,本文利用标定后的红外热像仪采集单道多层薄壁零件的表面温度,研究其制造过程温度场特征变化规律及热累积效应,为成形工艺的优化提供依据。结果表明：利用红外热像仪可实现对薄壁堆积过程温度场演化规律的研究,随着熔覆高度的增加,高温区域面积逐渐增大,热累积效应明显增强。熔覆过程中,热量向下传导,散热条件逐渐变差,各层冷却速率随层数增大而减小,直至趋于平稳。此外,当熔覆层数大于15层时,热累积效应不再对15层以下熔覆层产生影响。     

铝合金压铸工艺数值模拟分析

采用压铸工艺成形铝合金薄壁长轴类零件。首先根据压铸模具浇注系统的设计原则,对铝合金件压铸模的浇注系统进行了设计计算;其次运用procast软件对铝合金压铸成形工艺进行数值模拟,根据压铸过程中的温度场云图,进行了压铸模具的热平衡分析和压铸件的充型凝固分析;最后针对模拟的结果进行了压铸模具的设计。     

7075铝合金电子束焊接温度场数值模拟

针对航空航天业中应用较广的7075铝合金,采用ANSYS有限元软件,按照划分单元、逐次计算并逼近真实值的近似计算方法,对该合金电子束焊接的热过程进行了计算机数值模拟的可行性研究.结果表明,7075铝合金电子束焊接过程中焊接热输入较大,焊缝较窄,熔深大.通过验证,用有限元数值模拟方法得到的焊接及热处理温度场分布规律与实测温度值基本一致.     

基于导流系统的铝合金薄壁件挤压模具的优化设计

铝合金薄壁件挤压模具中的导流系统不仅决定着零件的成形质量,也决定了零件的生产效率。如何优化挤压成形模具的导流系统是模具设计的一大难题。本文以某型号铝合金门窗中的薄壁件为例,通过ANSYS模拟软件对其挤压过程进行模拟分析;以导流系统中的金属流速均匀化为目标优化了挤压模具结构,并对优化后的模具匹配了最佳的挤压速度,在提高零件生产效率的同时改善了成形质量。     

不同层间停留时间下电弧增材制造2Cr13薄壁件热力学行为

在电弧增材制造过程中，沉积件内部的热-力演变对成形件质量具有重要影响. 文中通过电弧增材制造三维有限元模型的建立，对层间停留时间分别为30，120，210，300 s的2Cr13沉积件温度场和应力场进行了模拟，模拟结果与测量结果基本一致. 结果表明，层间停留时间为30 s时构件的纵向残余应力分布显著差异于其它构件. 层间停留时间大于210 s时，再延长层间停留时间起不到明显降低应力的效果.电弧增材制造单道25层2Cr13薄壁件的层间停留时间在120~210 s之间较为合适.     

电火花沉积熔滴过渡过程材料流动规律仿真研究

电火花沉积材料的过渡形式、过渡形态、结合过程等对沉积的效率、稳定性及沉积层质量有重要影响.为了探究电火花沉积的熔滴转移过程,建立了电火花沉积两极间熔滴过渡的仿真模型,模拟了电极表面熔融液滴变形及脱落的过渡过程,分析了过渡过程中熔滴的形态变化、压力分布及流动趋势.结果表明:熔融电极材料在重力、表面张力及等离子流力的作用下...     

TIG电弧增材熔池行为的数值模拟研究现状

TIG(钨极惰性气体保护焊)电弧增材制造由于其材料利用率高、成形效果好等显著优势,已成为制造业研究的热点。本文从数值模拟的角度,着重总结了TIG增材熔滴过渡、热累积和熔池行为3个方面的重要结果。成形工艺参数决定熔滴过渡形式和频率,而熔滴的过渡形式和过渡频率直接影响沉积层的成形质量;热累积影响着成形件的微观组织和应力,可通过控制层间冷却时间来减少热累积;在进行TIG增材熔池数值模拟时,多选择高斯热源和双椭球热源模型。基于以上对TIG电弧增材制造的分析研究,对TIG电弧增材制造的研究方向进行了展望,主要包括建立熔滴与熔池的物理耦合模型和改进电弧热源模型两方面。     

双曲率薄壁铝合金盒形件充液成形工艺

双曲率薄壁铝合金盒形件是一种常见的飞机内蒙皮类钣金零件。针对目标零件采用传统落压成形过程中存在的生产效率低、表面质量差的问题,采用充液成形工艺成形该类零件,其目的在于提高零件表面质量并降低模具成本。通过数值模拟软件,建立了双曲率薄壁铝合金盒形件主动式充液成形的有限元模型,通过分析液室压力、压边力加载路径、润滑条件等因素对零件成形性的影响,对零件成形的起皱和破裂情况进行分析,优化确定最佳的工艺参数。并依据优化后的工艺参数进行了现场实验,利用数值模拟技术分析和解决了现场实验零件的质量问题,成功制造出合格零件,进一步验证了工艺方案及工艺参数的可行性。     

金属熔融涂覆成形工艺数值模拟与实验验证

针对金属熔融涂覆增材制造工艺,基于VOF函数和分段线性界面重构方法建立熔融涂覆沉积过程熔体热流场数值计算模型,分析了成形过程中沉积层表面的热力学行为及沉积层形貌的演变行为,利用该模型可获得熔凝区形态及温度场信息。研究了成形质量、沉积层形貌与冶金缺陷间的关系,并对数值计算模型进行了实验验证。结果表明:沉积层形貌计算值与实验值吻合较好,熔融涂覆沉积过程数值计算模型能有效地描述涂覆沉积过程中熔体内的铺展流动和凝固行为。采用热成像系统可实时监测沉积层表面温度信息。沉积层之间重熔结构及内部质量良好,无明显孔隙等缺陷。上述研究为深入理解金属熔融涂覆成形工艺中的复杂物理过程和成形工艺参数的优化提供理论指导。     

双锥薄壁铝合金件热挤压模拟分析

用机械切削法制造铝合金双锥薄壁零件,材料浪费严重、生产效率低。本文采用热挤压对其成形。借助Deform-3D软件对挤压过程进行了数值模拟,分析了不同形状与尺寸的坯料对挤压载荷、等效应变分布的影响。利用模拟结果设计的模具与坯料进行了实际成形试验。结果表明,管状坯料为最佳的挤压坯料,热挤压可获得完好的铝合金双锥薄壁件。