工艺因素对熔池小孔特征行为的影响

为了准确地模拟出激光深熔焊接中小孔的动态变化过程,根据小孔内激光能量的传输过程和吸收机制,采用光线追踪法来描述小孔对激光能量的多重反射吸收作用,建立了基于光线追踪的热源模型,分析了工艺因素对30Cr Mn Si A钢激光深熔焊接过程中瞬态小孔的深度振荡和熔池流动行为的影响。结果表明,激光焊接过程中熔池的小孔深度呈周期性变化并伴有高频振荡特征,而小孔的振荡是焊接不稳定性和缺陷形成的重要原因。而随着激光功率的增大,小孔深度增大,小孔深度达到相对稳定状态的时间缩短。小孔深度达到相对稳定状态时,小孔振荡的幅度随激光功率的增加而增大。在对不同工艺条件下熔池的温度场、流场和小孔的动态演化过程对比的基础上,进一步探索了焊缝气孔的形成机理,并提出了减少焊缝气孔和增强小孔稳定性的新思路。     

CSDF:一种基于STL的无锯齿差分网格剖分算法

针对基于差分的铸造CAE系统生成体网格时图像显示呈锯齿状这一问题,提出了一种基于STL面片模型的无锯齿网格剖分算法。算法采用一种新的组件式有符号距离场(CSDF)模型来对多个STL实体进行剖分。该模型采用了一种稳健的容错方法,能够对不封闭、缺点、少面的STL实体进行正确的剖分;使用BSP树来加速计算每个网格中心点距离铸件、砂芯、铸型以及浇注系统等STL几何实体的最小距离,并规定位于内部的中心点的距离为负,外部为正,表面为零,使得每一个网格点有一个表示材质的数据,同时还有几个不同的距离值;材质数据用来表示物理属性,而距离值用来进行STL实体的布尔运算,以实现组件式的网格剖分和几何模型的重建,获得光滑的后处理图像。实例表明:算法可行,可实现组件式的几何实体无锯齿网格剖分,且剖分结果能进行数值计算。     

DISA线专用三维CAD浇注系统的开发

以UG7.5为平台,VC++6.0和UG/OpenAPI为二次开发工具,针对用户工艺要求和生产需求开发了专用于DISA造型线的三维CAD铸造工艺设计系统.该系统的主要功能包括了分型面、型板、水平浇道、垂直浇道和浇口杯设计.根据工厂实际生产情况,设计了相应的辅助功能系统.以某小型球铁铸件为例,展示了用该系统进行了浇注系统设计的结果.     

铸造CAE后处理中二值差分数据重构方法研究

在铸造CAE后处理中,以平滑的方式对二值差分数据进行可视化是一个难题。基于Hamilton-Jacobi方程,建立了一种重构任意二值差分数据的数学模型,该模型能够将二值数据重构为一个连续的隐式函数,且该函数不依赖于任何原有的STL信息或数值计算信息,而仅与该二值数据所隐含的几何形状有关。同时提出了一种快速扫描方法来快速求解该模型,并采用Open MP指令对求解过程进行了并行化。结果显示,所提出的方法能够对任意复杂曲面铸件的二值差分数据进行快速重构,进而实现平滑绘制;另外,该方法同样可用于连续差分数据的三维重构。     

6061-T6 铝合金激光焊接接头腐蚀疲劳裂纹扩展

目的研究6061-T6铝合金激光焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展特性,并分析裂纹扩展的影响因素。方法利用光纤激光器,焊接尺寸为150 mm×100 mm×4 mm(焊接方向、横向、熔深方向)的6061-T6铝合金,采用SE(B)三点弯曲疲劳裂纹扩展试验并利用连续降K法,分别在空气和人工海水中进行疲劳裂纹扩展试验,通过使用金相显微镜(OE)和扫描电子显微镜(SEM),对金相结构进行观测分析。结果同样工艺参数的焊接接头,在海水中疲劳裂纹门槛值(4.063 016 MPa·m~(0.5))大于空气中的门槛值(3.479 166 MPa·m~(0.5));在疲劳裂纹扩展中速区(da/dN10~(-5) mm/cycle)时,海水焊接接头疲劳裂纹扩展速率大于空气中的,低速区(da/d N10~(-5) mm/cycle)则小于在空气中的。结论成形良好的焊缝、晶粒细小的焊缝组织有助于接头疲劳裂纹扩展性能的提高;中速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏大,主要是由腐蚀条件下焊缝裂纹尖端阳极溶解和交变载荷共同作用导致;低速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏小,主要原因是腐蚀产物堆积于疲劳裂纹扩展尖端,产生较强裂纹闭合效应。     

面向大型复杂焊接结构仿真的组合式自适应四面体网格生成算法

目的 研究高质量、高效率的网格生成技术以实现大型复杂结构的焊接工艺仿真优化。方法 提出一种组合式的自适应四面体网格划分算法,即在高效生成各个零部件四面体网格的基础上,根据焊缝中心面的几何信息自动对焊缝附近网格进行细分,再缝合成高质量的大型复杂焊接结构的整体四面体网格,并集成到自主可控的商用网格划分软件Vision Mesh中。提出了摄动几何边界的方法,解决了大型复杂结构STL几何体在存在几何错误时网格难以生成的问题。提出了基于BVH树结构表达的背景网格表达方法,解决了多条焊缝同时高效、自动细分的难题,并通过“四面体分割–四面体合并–四面体翻转–点平滑优化”方法,实现了四面体网格的高质量优化。结果 算法网格效率可以达到200万个/h,生成的四面体99%以上均接近正四面体。可以由多个零部件一步组合生成大型结构的整体网格,并可对焊缝区域进行自动细分,大幅度简化了划分流程。将生成的网格导入国产焊接仿真软件InteWeld中进行测试,验证算法可用于大型复杂焊接结构整体应力变形的计算中。结论 实现了大型复杂焊接结构的高质量自适应四面体网格划分,使用简便操作得到了高质量网格,为焊接结构件工艺仿真优化提供了前提。     

基于分区扫描策略的激光金属沉积短梁件残余变形有限元模拟

目的 研究分区扫描策略对激光金属沉积TC4钛合金短梁件残余变形的影响,探寻较优的分区扫描策略,以改善成形短梁件残余变形.方法 通过建立激光金属沉积TC4钛合金三维顺序耦合有限元模型,来模拟不同分区尺寸和分区间跳转顺序下短梁件的成形过程,研究成形过程温度场的演变和不同分区扫描策略下成形件短梁件的总变形和z向变形.结果 不同分区扫描策略下成形短梁件和基板的变形趋势相同,均为面向热源的翘曲变形;与分6个子区域和8个子区域相比,每层分16个子区域扫描成形的短梁件残余变形最小,且较6分区减小了约12％;顺序扫描、对角扫描和向外扫描3种分区间跳转顺序下成形的短梁件残余变形相差不大.结论 随着分区尺寸的减小,激光金属沉积短梁件的残余变形逐渐减小,每层分16个子区域,从中间往两侧向外成形的分区扫描策略成形得到的短梁件残余变形最小.     

可调压力激光焊接工艺地面模拟装置的研制

目的 针对普通激光焊接实验装置无法用于非常压极端环境下激光焊接工艺的难点,研发设计一种可用于模拟环境压力变化的激光焊接地面模拟装置,使得在地面上模拟深海高压环境激光焊接和太空负压环境激光空间制造过程成为可能。方法 针对非常压极端环境下激光焊接实验成本高以及危险性大等问题,并综合考虑高压力、低真空,以及水下高盐度、低温度和微生物等环境特点,对模拟装置的压力调节集成系统、激光入射孔以及可移动运动平台3个主要方面进行设计。自主设计研发一套具备从负压到高压压力范围可调的激光焊接地面模拟装置,并对模拟装置进行实验和性能验证。结果 研制装置压力测试的结果表明,该装置能够开展5.2 Pa(真空环境)至13.13 MPa(深海环境)压力范围条件下的激光焊接实验,为深海高压激光焊接过程以及空间负压激光制造过程提供实验基础。基于该模拟装置进行了不同压力环境下的激光焊接实验,结果表明,大气环境中随着压力的增大,焊缝熔深逐渐增大,而熔宽呈减小趋势;水下环境中随着焊接速度的增大,焊缝熔深和熔宽均逐渐减小。结论 实验结果与现有研究结果相近,可调压力激光焊接地面模拟装置的可行性和有效性得到了验证。该装置能够为未来深海高压和外太空负压激光焊接实验进一步研究提供设备支撑,具有良好的应用前景。     

4D打印——智能构件的增材制造技术

4D打印技术自2013年提出以来就引起了学术和工业界的广泛关注,它属于智能构件的增材制造技术,是在材料、机械、力学、信息等学科高度交叉融合基础上产生的颠覆性制造技术。讨论了4D打印的概念与内涵;介绍了4D打印在航空航天、汽车、生物医疗和软体机器人等领域的应用前景;阐述了4D打印在智能构件设计、模拟仿真、数据处理与工艺规划、材料、成形工艺与装备和智能构件的功能评测等方面的发展现状以及目前存在的一些问题;提出了关于4D打印的研究思考,最后指出了4D打印的未来发展方向和研究重点。     

激光熔丝增材制造丝材过渡状态的电磁振动监测方法

提出一种在线监测激光熔丝增材制造中微细丝材(1~2 mm)过渡状态的电磁振动监测方法,建立监测系统的数学模型并研制原型装置。通过设计试验,采用磁性以及非磁性微细丝材对监测系统的振动发生、信号采集等功能进行测试与验证,发现可获得强度显著大于环境噪声的稳定振动信号,证实了监测方法的可行性。基于该装置,开展了激光熔丝增材制造工艺中丝材过渡状态的监测试验研究。结果表明:滴状过渡时,成形中,基板接收到的振动信号低于环境噪声强度(约为-70 d B);而液桥过渡时,可获得清晰的振动信号(强度-67~-62 d B),高于环境噪声强度。综上,采用所研制的原型装置可清晰分辨滴状过渡与液桥过渡这两种典型的丝材过渡状态,能对激光熔丝增材制造工艺的丝材过渡状态进行有效监测。