激光弯曲成形数值模拟的研究进展

激光弯曲技术是最近十几年迅速发展起来的新型成形技术.它的基本原理可以归纳为:高能激光束扫描工件产生温度梯度极大的不均匀温度场,由此诱发的局部热应力超过了随温度变化的屈服应力,导致压缩塑性变形使得板料弯曲变形.通过调整激光工艺参数和扫描轨迹可以精确控制板料成形.数值模拟方法是目前解决问题的最佳手段.本文概要介绍了最近几年来有关激光弯曲成形的数学物理模型,并从激光热源模型、移动热源的模拟、边界条件的处理以及材料物性参数的处理等方面叙述了激光弯曲成形数值模拟的研究进展.文章最后对这一领域今后的发展提出了自己的看法.主要是建立真三维复杂曲面成形的数学物理模型,以及如何将多道扫描和曲线扫描数学化.(OE32)     

激光金属沉积成形过程中温度场的数值模拟

为了降低成形过程的热应力,根据有限元方法中的“单元生死”技术,利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟,再现了成形过程中温度场的动态变化,得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明,试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布,具有明显的分层现象,熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下,实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。     

激光弯曲成形数值模拟的研究进展

激光弯曲成形相对于传统成形工艺的优势已逐渐被人们所认识,但目前应用该技术的最大障碍是如何将工艺参数与最终成形相联系。数值模拟技术为解决该问题提供了有效手段。概要介绍了最近几年来有关激光弯曲成形的数学物理模型最新进展。指出了未来应重点研究的几个方向。     

板料激光弯曲成形的温度场三维数值研究

板料激光弯曲成形是一种利用激光成形构件的柔性成形技术,以平板激光单次扫描成形的过程为研究对象,应用有限元分析软件ANSYS进行二次开发,对温度梯度机理下弯曲成形过程的温度场进行了系统的研究。建立了温度场的有限元分析模型,研究了给定技术参数下激光弯曲温度场的动态变化过程和温度场的分布,以及各技术参数对峰值温度和温度梯度的影响规律。     

板料激光弯曲成形数值模拟

采用准静态非耦合模型 ,对激光束扫描板料表面时形成的三维瞬态温度场进行了有限元模拟 ,并将温度载荷转化为节点力 ,进一步完成了三维热弹塑性形变场的模拟。通过对温度、位移、应力分布的动态演示 ,定量地分析了板料激光弯曲的变形机理     

外载荷对激光弯曲成形影响的数值研究

为了研究外载荷对板材激光弯曲成形的影响,建立三种数值模拟工况:无外载荷作用下的激光弯曲成形、外载荷协同作用下的激光弯曲成形和外载荷作用后的激光弯曲成形,并采用顺序热应力耦合分析技术进行数值模拟。首先对板材模型进行传热分析获得瞬态温度场,然后将其导入三种模拟工况进行位移场的准静态分析。结果表明:施加朝向激光束工作面的弯矩能够有效提高板材的弯曲程度,其中外载荷作用后的模拟工况提高的效果最为显著;施加背向激光束工作面的弯矩会使板材发生反向弯曲,并在激光束终点的位置产生位移场的边界效应。     

选择性激光烧结聚苯乙烯粉末成形温度场的数值模拟研究

本文以聚苯乙烯材料为例，对SLS成形三维瞬态温度场的分布变化进行数值模拟计算。计算模型中，考虑了材料的热物性参数随温度变化的情况和激光光强分布不均匀的因素。计算结果表明：烧结过程可以分为两个阶段：第一阶段是光照期的热量输入加热阶段，在该阶段内，光照表面的温度迅速升高，使材料处于过热状态，甚至超过材料的分解点，这一阶段完成粉末表面的致密化，但粉床内部的致密效果不是特别明显；第二阶段是光照结束之后的热量传输阶段，在该阶段内，表面材料吸收的热量向四周扩散，一部分通过对流和辐射换热方式散失到周围环境中，另一部分通过热传导的方式向粉床内部传输，促进粉床内部的烧结，这一阶段粉床内部的致密程度显著提高。     

钢管激光弯曲成形的数值模拟

为了研究钢管激光弯曲过程,采用数值模拟的方法研究了激光弯曲钢管的温度场以及应力应变场的变化特点,分析了激光弯曲钢管的动态过程,解释了激光弯曲钢管过程中沿钢管壁厚各点的弹塑性变形的规律.结果表明,在给定技术参数下,激光扫描处横截面沿壁厚方向均产生压缩塑性变形,且下表面的压缩塑性应变比上表面要大,并解释了其机理.同时研究了激光工艺参数对弯曲成形角的影响,随着激光功率或激光扫描角度的增加,弯曲角度增加.     

激光烧结陶瓷温度场的数值模拟

根据热传导理论，推导出了激光烧结陶瓷过程中的热传导方程;并采用数值模拟的方法，编写了基于有限差分法的计算机程序。在此基础上，分别模拟计算了在各种不同的烧结工艺条件下，CO2激光辐照Al2O3陶瓷的温度场,结果表明,采用激光辐照的办法烧结陶瓷可以使陶瓷在短时间内达到很高的温度。此外，还计算了烧结过程中材料的温度随空间的变化曲线,结果表明,平行于激光辐照方向的温度梯度大小不随烧结时间变化而只与激光功率有关，激光功率越大温度梯度越大。研究还发现：垂直激光辐照方向的温度梯度的大小取决于激光束的功率密度分布和光斑大小。     

不同激光热源模式下薄板弯曲特性数值模拟

利用非线性有限元分析软件,建立了纯铝薄板激光成形过程的三维弹塑性热力耦合有限元模型.选择等面积的圆形、方形、矩形1/4和矩形4/1光斑激光热源模式(矩形1/4和4/1表示激光光斑沿着光束扫描方向尺寸与垂直光束扫描方向尺寸的比例分别为1∶4和4∶1),对不同激光热源模式下的板材弯曲特性进行了数值模拟计算,并分析了各种热源模式作用下板材温度场、位移场和应力应变场的特点.结果表明,在扫描过程中,圆形光斑热源模式获得了最高的峰值温度和上下表面温度差;而矩形1/4激光热源模式获得了最大的高温区作用宽度.矩形1/4激光热源模式产生了最大的塑性区宽度及上下表面总塑性应变差,因此获得了最大的弯曲角,内部残余应力最低.     

空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟

针对航空发动机空心涡轮叶片激光快速成形(LRF),建立了温度场/应力场瞬态模型,采用有限单元生死技术模拟了熔覆层的沉积生长过程.采用随动强化及米塞斯屈服准则进行了热弹塑性分析,通过间接耦合模拟了TC4钛合金空心叶片激光快速成形的温度场/应力场演变过程.结果分析表明,在TC4钛合金空心叶片激光快速成形过程中,随着熔池的移动和成形高度的增加,温度场和应力场动态演化,其中由于基座的冷却及约束作用和熔池加热及应力释放作用,激光快速成形空心叶片温度和应力/应变场沿高度(z轴)方向呈梯度分布.温度场上高下低,散热方向从上至下,从熔池到基座;应力场下高上低,叶根等效应力最大.空心叶片激光快速成形结束冷却到室温,残余应力与熔覆过程应力分布规律基本相同,只是叶片顶部等效应力有所提高.     

脉冲激光钼表面氮化处理温度场的数值模拟

本文用有限差分法对金属钼表面脉冲激光生成氮化钼薄膜过程的温度场进行了三维数值模拟计算,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Gauss分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响,此外还从理论上计算了激光脉冲在脉冲宽度加宽后的温度场变化,分析了利用长脉冲激光进行材料表面相变硬化和激光重熔的可行性。     

激光热成形温度场和变形场相似性研究

激光热成形是非常复杂的热力耦合过程,本文将相似理论应用于激光热成形的研究,利用方程分析法推导出金属板材温度场相似所必须满足的相似准则。为了验证相似准则的有效性,对3块满足相似准则的金属板材进行了数值仿真。仿真结果表明,3块金属板材的温度场相似,并且其变形场也相似。     

选区激光熔化快速成型过程温度场数值模拟

为了优化铜磷合金粉末选区激光熔化快速成型的工艺参数,采用有限元分析软件ANSYS对其温度场进行了模拟,经理论分析和实验验证,获得了其温度场分布的数据.对材料未知温度范围内的热特性参数用插值法近似获得,采用不等网格剖分方式,用热焓去处理相变潜热问题.结果表明,其温度场的等温线分布为椭圆形,用模拟遴选的工艺参数(在铺粉厚度为0.22mm时,选用激光功率为100W、扫描速度为0.25m/s和激光束半径为0.1mm)能实现选区激光熔化快速成型.这一结果对其它粉末材料的选区激光熔化快速成型也是有帮助的.     

激光立体成形粉末流输送的数值模拟研究

激光立体成形(LSF)技术是一项基于同步送粉激光熔覆技术的先进增材制造技术。粉末流的输送对于沉积层的形成至关重要。通过建立载粉气流的湍流模型并基于粉末颗粒在气体湍流中的运动分析,采用数值模拟方法建立粉末流输送的数学模型,并利用Fluent软件进行求解,从而获得粉末流的质量浓度分布。将实验测量结果与模拟计算结果进行对比分析。结果表明,计算结果与实验测量结果比较吻合。对比粉末粒径范围为50~240μm的粉末流和粉末粒径范围为65~75μm的粉末流的模拟结果发现,在相同送粉工艺条件下,粒径分布范围不同则粉末流颗粒质量浓度有明显差异。     

高强钢激光穿透焊熔池温度场数值模拟

深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点,选取指数衰减热源模型建立了高强钢激光穿透焊接熔池温度场三维数值模型.利用ANSYS有限元分析软件对激光焊接温度场进行数值模拟,并且通过CP800钢激光焊接试验验对模型进行了修正.计算所得的熔池截面与试验结果吻合良好,这验证了本文所建高强钢激光穿透模型的可靠性.     

TiAl合金表面多道搭接激光重熔温度场数值模拟

为了研究多道搭接对激光重熔等离子喷涂NiCoCrAl-Y2O3涂层熔化的影响,根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件的参数化设计语言,在已有的单道激光重熔温度场模型基础上,建立了TiAl合金表面多道搭接激光重熔连续移动三维温度场有限元模型.温度场的分析结果表明:由于激光扫描的热积累效应,重熔过程中试样的温度越来越高,熔池也越来越大,各扫描道之间存在明显的差异,因此不能获得熔化均匀且稀释率小的高质量重熔层.采用逐道减小激光功率或增大扫描速度的策略可以获得大体相同的各扫描道熔池;采用预热试样法同样可以有效地减轻各扫描道之间熔池的差异.     

基于Abaqus圆柱圆周表面激光淬火温度场仿真

针对圆柱圆周表面激光淬火的温度场形成特点,利用Abaqus软件对其进行温度场仿真分析。通过对圆柱进行三维实体建模,细化作用面,细分作用时间步长等操作,实现了对圆柱圆周表面激光淬火的温度场瞬态形成仿真。通过对仿真所得结果进行分析,得出对于圆柱圆周表面的激光淬火温度场来说淬火路径开始区域的淬火温度比淬火路径末端区域的淬火温度小。从而说明在圆柱圆周表面激光淬火时,由于激光光斑扫描的方向是趋于已淬火区域,所以已淬火区域的残留温度会对淬火区域的基温有影响,从而使得激光淬火路径末端区域的淬火温度高。研究为利用Abaqus软件对圆柱圆周表面激光淬火温度场形成仿真分析提供了指导,对圆柱圆周表面激光淬火工艺应用于实际生产有很大的帮助。     

聚氯乙烯激光透射焊接温度场的有限元模拟

使用ANSYS软件,建立了使用激光透射焊接技术焊接透明聚氯乙烯(PVC)的三维有限元热分析模型.利用APDL编程实现高斯型热源的动态加载,得到了温度场的分布;进一步分析了焊接速度、激光平均功率和光斑直径等工艺参数对焊接质量的影响,并计算出焊缝宽度.结果表明,随着焊接速度的增加,焊缝区域的最高温度逐渐降低,焊缝宽度逐渐减小;当激光平均功率增大时,焊缝区域的最高温度增高,焊缝宽度增大;而当光斑直径增大时,焊缝宽度增大,但焊缝处的最高温度有所下降.焊缝宽度计算值与实验测量值相比,二者比较吻合.