航空叶片电加工多物理场耦合仿真及实验研究

针对涡轮转子叶片电解加工过程参数分布复杂、型面难以预测的问题,分析电解加工过程中电场、流场、温度场特性,建立多场耦合数学模型并利用Matlab ode45函数求解多物理场耦合数值解;利用COMSOL软件对叶片电解加工过程多物理场进行数值模拟,得到加工间隙内电解液流速、温度、电解质电流密度的分布规律;选择合适的工艺参数完成了Inconel 718叶片电解加工试验,用三坐标测量机得到叶片轮廓曲线的实测值,与单电场仿真的理论值与多物理场耦合后仿真的理论值进行对比。结果表明,多物理场耦合仿真的理论值更接近于试验检测的实测值,能够准确模拟实际电解加工过程,可以为实际加工过程阴极工具设计、参数优化等提供理论依据,对提高电解加工质量和效率有重要意义。     

基于多场耦合模拟的电解加工温度场研究

针对电解加工过程中温度不均,很难用试验装置准确测量的问题,建立了电解加工多物理场模型。在COMSOL Multiphysics软件平台进行电解加工数值模拟,分析了不同电解液流速下的温度、电流密度变化规律。得出通过加快电解液流速可以使阳极温度、电流密度更加均匀。     

喷射液束电解辅助激光加工工艺规律研究

喷射液束电解辅助激光加工是一项新型复合加工方法,将电解加工与激光加工进行复合,在加工过程中,激光束与电解液束同轴共同作用于材料表面,激光对材料的热效应和喷射电解液束对材料的电化学阳极溶解作用共同去除材料,可实现无再铸层、无微裂纹的加工效果.针对该方法,基于加工原理的分析,以加工孔锥度和材料去除率为加工质量指标,研究了激光脉冲能量、电解加工电压和加工间隙对加工质量的影响.研究结果表明,激光脉冲能量对材料去除率的影响占据主导作用;激光脉冲能量和电解加工电压的增加都会导致加工孔锥度的增大;缩短加工间隙可以提高材料去除率,但会增加加工孔入口的锥度.     

有限体积法在三维非稳态铝合金挤压过程模拟中的应用

研究基于Euler网格的有限体积法(Finite volume method,FVM)模拟三维大变形非稳态铝型材挤压过程的基本理论和关键技术,应用C语言编制程序求解速度场、温度场等物理场量,并利用运动界面追踪技术--流体体积(Volume of fluid,VOF)方法捕捉材料流动前沿.采用"移动的网格"处理计算区域边界的移动问题,实现对真实物理过程的数值模拟,并将模拟结果与比较成熟的商品化有限元软件DEFORM-3D的模拟结果进行对比,表明所建立的有限体积法模拟模型有效、可靠.结果对比表明,FvM模型的模拟结果更符合实际,证明有限体积法比有限元法更适合大变形挤压过程模拟.     

铝型材非稳态挤压有限体积法模拟关键技术研究与应用

采用Euler网格和有限体积法(FVM),建立了铝型材非稳态挤压过程的数值模拟模型,研究了相应的关键技术。利用SIMPLE算法迭代计算得到速度场和压力场,继而计算获得等效应变速率、温度等物理场量;根据上述场量,结合铝型材热挤压的本构方程,进行动力粘度的迭代与刷新;利用VOF(volumeoffluid)方法追踪材料的流动前沿;利用“移动网格技术”解决挤压杆移动所造成的边界移动问题;利用时间步长的自动调整保证模拟的稳定性和高效性。开发了铝型材非稳态挤压有限体积法数值模拟程序,并对典型铝型材挤压过程进行了模拟,验证了所建立的铝型材非稳态挤压过程有限体积法模型及其关键技术的可行性。     

电解加工过程多物理场耦合仿真及试验研究

针对电解加工过程中复杂、难以预测的问题,建立小孔内扩孔电解加工过程多物理场耦合的数学模型,利用COMSOLMultiphisics软件进行仿真分析,得到加工间隙内的流速分布、电流密度分布和温度分布,并分析了不同加工时间和电压对温度分布的影响。选择合适的工艺参数进行试验,得到了小孔内壁轮廓曲线的实测值,并与耦合多物理场仿真的理论值、未耦合多物理场(仅电场)仿真的理论值进行对比。结果表明,耦合多物理场仿真的理论值与实测值更接近,误差更小,可以准确地模拟实际电解加工过程。     

减速箱体易变型孔加工方法的改进

基于有限无数值模拟,针对箱体易变型孔加工过程中的压力形变问题,提出一种改进的减速箱箱体易变型孔加工方法,以提高加工精度,改善减速箱体的总体功能性能.加工结果表明,该方法可以有效改善易变型孔加过过程中由于装夹应力所导致的形变,加工精度完全符合期望要求.     

小锥度锥形孔电解加工的试验研究

针对常规加工方法难以满足在难加工材料上进行锥形孔加工的难题,尤其是小锥度锥形孔的加工,本文建立了小锥度锥形孔电解加工的多物理场耦合数学模型,基于COMSOL开展了电解加工过程的多物理场耦合仿真,进行了小锥度锥形孔的电解加工试验研究,通过设置不同的阴极进给速度、工作电压分别得到不同锥度锥形孔的仿真和试验测量轮廓曲线,并进行对比分析,总结工艺参数对锥形孔轮廓曲线的影响规律,验证加工过程多物理场耦合仿真模型的准确性。     

激光切割金属板材的建模与仿真研究进展

激光切割具有切割速度快、切缝质量好、加工效率高等优点,是材料加工领域中一种先进的热切割技术。阐述了激光切割的优势及应用,综述了激光切割金属板材建模与仿真的国内外研究进展,总结了激光切割金属板材过程中温度场、应力场和气体动力学的数值模拟方法。通过对比和分析不同建模方法,建立在材料激光切割切割过程中相关特性的数学模型,描述激光切割过程中发生的物理过程,预测金属板材的切割质量,为激光切割金属材料技术的进一步探索和研究提出可行性思路。     

虚拟数控加工过程仿真技术

虚拟数控加工过程仿真分几何仿真和物理仿真,几何仿真研究成果很多,笔者总结了实现数控加工几何仿真的几种常见方案。物理仿真由于切削机理复杂,建模难度大,目前还处于理论研究阶段,是今后发展的主要方向。针对现有加工过程仿真模型中存在的问题,最后指出了必须加强物理仿真的研究,以进行几何仿真与物理仿真的无缝集成。     

ANSYS在激光熔覆成形温度场数值模拟中的应用

基于ANSYS的激光熔覆成形温度场数值模拟可以真实再现熔覆工艺全过程,为优化工艺参数和预测成形缺陷提供可靠的理论依据。本文系统总结了ANSYS在熔覆成形温度场数值模拟中的应用;深入分析了有限元模型的建立、网格划分、热源形式及动态实现、熔池对流、材料动态增长描述等关键问题的处理方法;指出了ANSYS在熔覆成形温度场数值模拟领域应用中存在的问题,并在此基础上提出了今后的发展方向。     

激光冲击钛合金板料的有限元模拟

激光冲击强化技术（LSP）是一种新型的表面处理技术,它利用激光冲击波作用靶材表面而产生残余压应力场.通过有限元软件模拟（FEM）可以分析激光冲击强化处理后靶材的残余压应力场分布,分析材料表面和深度方向的残余应力场的分布情况.先分析了材料的本构模型、激光冲击波的峰值压力的计算、有限元单元类型的选取、边界条件的处理等条件;再通过有限元软件ABAQUS对激光冲击TC4钛合金板料进行了数值模拟,分析了残余应力场的分布特点.     

基于有限元模拟的Ti6Al4V铣削过程参数多目标优化

为使切削加工过程满足环境意识制造(ECM)的要求,针对质量指标(表面粗糙度)和ECM指标(能耗),针对Ti6Al4V的铣削过程,采用人工蜂群(ABC)算法优化的高斯过程回归(GPR)方法构建有限元代理模型,并采用多目标粒子群优化(MOPSO)算法获得满足最优加工目标的加工参数.为减少试验成本,采用有限元仿真软件Defo...     

采用马赫-曾德尔干涉法测量单晶硅在线应力损伤

开展了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的实验研究,基于马赫-曾德尔干涉技术测量了毫秒脉冲激光与单晶硅相互作用过程中的在线应力损伤。用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的数值仿真模型。从理论和实验两方面探讨了毫秒脉冲激光与单晶硅作用时,相同脉宽不同能量密度下应力场随时间的演变规律。进一步研究了干涉条纹的处理方法,基于传统x轴投影法提出了用45°投影法来计算材料各方向上的应变,并对两种处理方法得到的实验结果进行了对比。结果显示:与仿真结果相比,x轴投影法实验结果的误差为9.5%~29.3%,而45°投影法实验结果的误差为0.1%~22.6%,表明用马赫-曾德尔干涉法测量激光辐照单晶硅产生的在线应力损伤时,采用45°投影法计算材料各方向上的应变结果更为准确。该实验和计算方法为单晶硅在线应力损伤的研究提供了理论和实验上的指导。     

激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场的有限元模拟

利用ANSYS软件建立预置式粉层激光反应熔覆的数值模拟模型,考虑了相变潜热、辐射对流散热、表面效应单元等因素的影响;在不同的工艺参数下,用该模型对激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场进行了计算,分析了整个激光加工过程中温度场的变化情况。结果表明:激光功率和扫描速度对基体熔化厚度以及熔覆层宽度的影响都比较显著;激光功率是造成熔覆层较大温度梯度的主要因素;有限元模拟得到的最佳工艺参数得到了试验验证。     

大型半开放式压铸温度场与应力场的数值模拟研究

采用有限元方法分析了大型半开放式压铸件,在凝固过程中的温度场以及由此产生的热应力场,用有限元软件ANSYS进行数值模拟,选取了实际生产中容易出现裂纹的部位进行了重点分析,得出了该位置温度分布及热应力分布的变化情况,并给出了计算结果。以此为依据,对铸件在实际生产过程中可能会出现的缺陷进行分析和预测,进而优化加工工艺,减少废品率,对铸造系统的结构设计、加工工艺等具有一定的指导意义。     

挖掘机动臂板焊接温度场模拟及影响因素分析

利用有限元方法对挖掘机动臂平板对接焊温度场进行了分析,采用Goldak椭球热源模型,应用DFLUX子程序定义热源模型的位置、大小、热输入以及焊接速度等参数来模拟瞬态温度场的分布及其变化,在此基础上通过改变焊接热输入、热源模型参数和焊接速度来分析其对温度场分布的影响规律.研究结果表明,由于焊接热源具有集中移动的特点,焊接热源模型参数以及焊接速度对焊缝区和热影响区的温度分布影响比较明显,热输入的变化与最高温度的变化大致呈线性关系.运用有限元法,选取Goldak椭球热源模型通过DFLUX子程序可有效进行挖掘机动臂平板焊接的数值模拟.     

伺服驱动器散热器的热设计优化

针对伺服驱动器发热量较大、温升过高等问题,将热动力仿真分析结合工程设计经验的技术应用到散热器优化设计中。采用有限体积法数值模型仿真的方法,研究了在自然对流条件下散热器截面形状尺寸对散热效率的影响。通过对比仿真分析的温度场分布图,优选出了散热器最佳设计方案。研究结果表明,利用仿真分析结合工程设计经验,在同等加工工艺性和经济性等条件下散热器散热效率提高了6.8%,增加了产品的可靠性。     

ZK60镁合金棒材ECAP过程有限元模拟分析

采用刚黏塑性有限元理论,在挤压温度为200℃、挤压速度为2 mm/s、背压强度为40 MPa时,对ZK60镁合金棒材进行四道次ECAP过程的数值模拟,观察棒材在四道次ECAP过程中金属流动情况,并分析棒材在四道次ECAP过程中应力场和温度场的分布和变化规律.     

钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟

为控制成形过程的热应力,根据有限元法中的生死单元技术,利用ANSYS参数化设计语言编程实现对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场和应力场的数值模拟,并对熔池与粉末、激光与粉末的相互作用进行能量补偿,更加准确地计算成形过程中温度场和应力场的动态变化,得到成形过程中模型温度场、温度梯度、热应力场和残余应力的分布规律.结果表明,成形件不同层上的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,熔池区的温度梯度非常大,但其他方向不明显;瞬态热应力集中在温度梯度变化较大的区域,这与热应力形成的机理是一致的;通过对成形件中各方向的残余应力分析,从温度梯度的角度总结各方向残余应力变化规律,侧面验证残余应力的形成机理.通过相同工艺参数下的试验验证,证明上述分析与实际情况是基本吻合的.