马氏体时效钢激光选区熔化成形过程介观尺度数值模拟

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形过程涉及多种发生于介观尺度下的物理现象,采用试验方法难以揭示物理现象复杂的形成规律。以18Ni-300马氏体时效钢为SLM成形材料,采用离散元法与有限体积法建立了SLM成形介观尺度热流耦合数值模型,并结合熔道成形试验验证模型的正确性。结合数值模拟揭示激光功率从60 W增加至270 W时单道SLM成形熔道形貌、熔池尺寸与温度、传热机制等熔池行为的基本特征;研究在0.2 J/mm、0.3 J/mm和0.45 J/mm线能量密度下不同激光功率和扫描速度组合对熔道形貌、熔池尺寸与传热机制的影响规律;结合熔道搭接理论模型计算激光功率180 W和扫描速度600 mm/s组合下无搭接缺陷的扫描间距理论临界条件约为83μm,并研究80μm、100μm和120μm扫描间距下多道多层SLM成形熔道搭接行为和演变规律。该模型可用于筛选工艺参数区间,提高工艺优化效率,为单层/多层成形的工艺试验提供指导。     

激光选区熔化单道扫描与搭接数值模拟及试验

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)单道扫描的数值模拟,在数值建模时多采用规则实体模拟铺设的粉末层,通过等效定义材料热物理属性模拟铺设粉末层中粉末与气体共存的情况,难以模拟粉末颗粒的随机性而带来的扫描结果的随机性,且难以分析熔池形貌、内部缺陷的微观衍变过程。针对SLM成形过程中激光功率和单道搭接率对扫描单道和单道搭接质量的影响,以316L不锈钢材料为例,建立SLM首层单道扫描与单道搭接数值模拟模型。SLM的铺粉过程在基于离散单元法的EDEM中建立,并得到数值化的粉床几何模型。SLM的单道扫描与搭接的模拟基于有限体积法,在FLUENT中实现,采用两相流模型与熔化/凝固模型捕捉熔池形貌变化过程,得到不同激光功率和扫描搭接率下成形单道与单道搭接的数值模型。最后结合试验表明了在100～300 W激光功率下成形单道表面形貌与缺陷的形成,当激光功率为100～150 W时,单道形貌不规则,且容易形成局部缺陷;在200～300W功率下,激光功率越大,保证搭接质量的最低搭接率越小,当激光功率为250 W时,应保证单道填充间距不大于0.1 mm。研究成果对SLM工艺参数...     

电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。     

熔焊热过程与熔池行为数值模拟的研究进展

熔焊是目前机械制造业中应用最为广泛的材料连接技术。熔焊过程中的传热与熔池流动行为对于焊缝成形、接头微观组织与服役性能等起着决定性作用。准确地分析和计算熔焊热过程与熔池形态,对于焊接冶金分析、应力变形分析、过程控制及工艺优化等都具有十分重要的意义,也是使焊接工艺从"定性"走向"定量"分析、从"经验"走向"科学"的重要途径。对焊接电弧物理、熔滴过渡、熔池形态、高速焊接熔池传热与流动、等离子弧焊和激光焊接的小孔与熔池动态行为、激光-电弧复合热源焊接热过程的数值模拟研究现状与存在问题进行了评述,讨论了上述前沿领域的研究方向与发展趋势,旨在为实现熔焊工艺优化和过程控制提供理论依据。     

外加横向磁场作用电弧增材成形过程中的传热传质仿真

为了揭示外加横向磁场对电弧增材成形过程中电弧和熔池传热传质以及成形件微观组织影响的内在机理,建立基于GMAW电弧增材成形过程中电弧和熔池的弱耦合数值模型,通过数值模拟对比分析了有/无外加横向磁场作用下熔池电磁力分布、电弧和熔池传热传质的差异,发现横向磁场作用使电弧向熔池后方偏转,使熔池发生单向强制对流并驱动熔融金属和热量向熔池后方运动,从而更加直接地冲刷熔池结晶面。由此预测横向磁场作用能降低熔池凝固过程中枝晶前沿温度梯度和溶质浓度,提高枝晶前沿的成分过冷,使得靠近熔池中心的枝晶前端生长加速并细化晶粒。相同工艺条件的对比试验表明:相比无外加磁场的普通熔积,横向磁场作用下熔池底部等轴晶区域减小,整个结晶面上细密的胞状枝晶区域面积增大,验证了数值模拟的预测。研究结果可为外加磁场在电弧增材成形微观组织控制中的应用提供依据和参考。     

压力容器焊接基本现象模拟与仿真研究现状及展望

综述了近年来国内外在焊接基本现象模拟与仿真方面的研究现状及发展趋势,对焊接过程中的熔池流场、焊接温度场与力学场、焊接变形和残余应力、氢扩散分析、异种钢焊接接头碳迁移、特种焊接过程、焊接接头微观组织、焊接热影响区晶粒长大过程等的仿真模拟,以及焊接模拟计算机软件等进行了较全面的介绍和分析。     

工艺参数对冷搓成形花键晶粒影响的跨尺度分析研究

多场跨尺度分析研究有助于提高成形质量,分析花键成形过程中材料内部微观组织演变规律,对工艺优化、质量预测与控制具有非常重要的指导意义.建立了冷搓成形加工的热力耦合模型并进行了仿真模拟,分析了模拟结果的宏观尺寸及成形过程中工件微观组织演变规律,并通过改变进给速度和摩擦因数,分析工件成形过程中晶粒尺寸在不同工艺参数下的变化趋势,得到进给速度和摩擦因数对晶粒尺寸的影响,为进一步研究材料内部微观组织演变规律,花键形性一体化制造提供理论依据.     

CAE模拟已延伸到集成的整体解决方案

正目前,无论从广度上讲,还是从深度上讲,铸造计算机模拟仿真技术以前所未有的速度融入铸造生产的各个方面。铸造过程数值模拟技术(CAE)经过了几十年的发展历程,从简单的二维模拟到复杂的三维仿真模拟;从单一的考虑到温度场、流动场或应力场计算发展到同时考虑多场耦合计算;从宏观尺度深入到多尺度的模拟分析,并预测出铸件微观的组织与性能;从普通的重力铸造拓展到熔模、离心、低压、压铸等     

相场法模拟增材制造及焊接过程中显微组织的研究进展

增材制造以及焊接过程都是多物理场耦合的复杂过程,难以采用试验方法直接观测熔池显微组织的演变过程。随着计算材料学和数值模型的快速发展,从数值模拟出发研究凝固过程中的显微组织演变成为可能。对比分析了几类常用的显微组织模拟方法,其中相场法在晶粒形貌模拟准确性上具有独特的优势。综述了相场法在增材制造及焊接领域模拟显微组织的应用现状,并对未来的研究方向进行了展望。     

大型柴油机曲轴热成形过程微观组织演化模拟

介绍了大型柴油机曲轴镦锻成型工艺的特点,建立了坯料和模具的CAD装配模型;用有限元数值方法模拟了大型柴油机曲轴成型过程,得出了成型过程金属的应变、应变率等物理参数变化场,建立金属动态再结晶的有限元模型,获得了金属微观组织的演化过程;具体说明了不同的工艺阶段需要不同的变形要求来满足微观组织的变化。通过讨论微观组织的变化对曲轴的整体性能的影响,得出一些有用的结论,并反映到曲轴的成型工艺上,来进一步提高大型曲轴的综合力学性能。     

超精密机床多尺度设计方法和仿真研究

提出了超精密机床多尺度设计方法,建立了包含机械结构、控制系统、电磁驱动在内的集成模型.采用仿真方法计算了气浮导轨气腔微结构在一定气体压力下内部气流场压强和速度分布数据,并代入集成模型中分析了微结构对宏观机床动力性能的影响.用实例证明了超精密加工机床的结构设计与分析综合考虑机构系统在宏观、介观和微观尺度下多尺度、多层次特征,对设计超精密加工机床的必要性.     

铸造过程的多尺度模拟研究进展

铸造行业对国民经济的发展具有重要作用,但我国与国外有很大差距,严重制约着经济的发展。铸造成形加工技术的发展趋势之一是用计算机模拟仿真技术来逐步代替传统的经验性研究方法。计算机模拟技术已成为改造传统铸造产业的必由之路,在生产中得到了越来越广泛的应用。随着铸造过程宏观模拟技术的成熟,研究者们把目光转向了微观过程模拟与多尺度模拟。主要针对目前的研究热点和发展趋势作了阐述,特别是对新一代精确铸造充型凝固过程模拟、铸造过程的应力应变分析、微观组织的形成与演变及并行工程环境下的多尺度模拟仿真等方面的国内外最新进展进行了分析,同时重点介绍了我国在这方面的研究成果。     

反冲压力作用下激光选区熔化熔池热动力学行为

激光选区熔化(SLM)过程中,金属蒸发产生的反冲压力会改变熔池的热力学行为,导致零件缺陷。以316L不锈钢粉末为对象,通过数值模拟和试验测试,分析了不同激光工艺参数下反冲压力对熔池温度场和速度场的影响规律。其中,数值模型基于VOF多相流原理,充分考虑金属蒸发的反冲压力,同时结合了界面追踪热源模型。结果表明:固定激光线能量密度为300J/m时,较大的扫描速度(1.0m/s)会得到沿扫描方向更大范围的熔池,也会产生更深的凹陷;当激光扫描速度一定时(1.0m/s),熔池凹陷深度随激光功率增大而增大;并且凹陷深度越大,熔池深度越大,但沿扫描方向的熔池范围、熔化道表面形貌和宽度变化不大。     

激光选区熔化增材与机加工复合制造AISI 420不锈钢:表面粗糙度与残余应力演变规律研究

激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造技术具备极端复杂构件制造能力,为高性能构件的材料结构一体化制造提供了技术支撑。然而,在激光与材料交互作用过程中,熔池稳定性,熔池间界面结合性,熔体与基体的润湿性等因素直接影响构件微观组织、表面精度与粗糙度。其中,SLM成形的金属表面粗糙度较高是制约其发展的重要因素,SLM技术与机加工复合是发展趋势之一。因此,采用机加工的方法对SLM样品进行表面处理,分别研究了机加工对不同致密度金属,不同铣削深度及不同铣削面对金属试样粗糙度及残余应力的影响规律。其中,试样粗糙度经过铣削后从约10μm降低到1μm以下,极大改善了制件的表面质量。同时,通过铣削使试样水平方向的残余应力由压应力变为拉应力并大幅降低。     

基于分形几何的表面微观形貌模拟及粘着弹性接触计算研究

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有分形特征的粗糙表面进行仿真模拟,分析了函数中与尺度无关的特征参数对表面微观形貌的物理意义。同时,基于Yan和Maugis的理论研究,用模拟的分形表面建立了考虑表面效应的弹性接触模型,通过数值方法对整个过程进行迭代求解,得到了两接触面在不同的接触条件下各个接触斑点上的载荷分布和真实接触面积以及接触斑点的数量和尺寸。由于真实接触面积的尺寸敏感地反应表面微观几何形貌的变化,因此该方法为研究粘着机制和减小微尺度粘着效应提供了思路。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]钛合金热成形工艺形变与组织演变耦合多尺度仿真研究进展

讨论了钛合金高温变形晶体塑性有限元模拟的研究进展,并分析了晶体塑性模型在钛合金细观尺度不均匀变形和组织演化方面的应用;围绕钛合金热成形过程变形与组织演变耦合模拟需求,讨论了钛合金高温成形统一黏塑性本构模型的发展过程,并介绍了统一黏塑性本构模型在钛合金热成形工艺的应用实例。统一黏塑性本构模型考虑了钛合金高温变形过程中回复、再结晶、相变、损伤等组织演变行为与宏观应力应变之间的耦合作用,为实现钛合金构件形状尺寸和组织性能的精确预测和成形工艺优化提供了有效的手段。最后分析了钛合金热成形工艺多尺度建模仍存在的问题,并展望了多尺度建模的发展趋势。     

有限元建模方法在磨削加工中的应用

对2D和3D有限元磨削模型做了概述,并根据建模方法所采用的尺度对其分类,即为介观模型和微观模型。介观模型主要考虑整个砂轮与工件的相互作用;而微观模型重点关注单颗磨粒与工件之间的相互作用,讨论了各种模型并对与模型相关的边界条件、材料属性设置和载荷施加做了比较;分析了有限元磨削模型的未来发展方向,基于研究结果对所综合的当今最先进的介观和微观建模方法做了相应的说明。     

Ti-6Al-4V激光快速成形熔池凝固过程研究

构建Ti-6Al-4V合金激光快速成形熔池凝固过程的数学和物理模型,运用CA-FE耦合算法模拟凝固温度变化和微观晶粒生长过程。模拟和实验结果基本相符,均表明:熔池温度场整体呈对称分布的趋势,熔池的宏观形貌为梭形结构;实验温度变化曲线和模拟温度变化曲线基本一致,由于结晶潜热的释放出现短暂的温度平台;熔池在0.325s内完成凝固,冷却速率为1292.6℃/s;熔池中晶粒生长以粗大β柱状晶为主,朝着熔池中心位置生长,最佳生长方向与熔池凝固时负温度梯度方向一致,体现出晶粒生长几何择优取向的一致性,晶内为针状马氏体构成的网篮结构。     

缠绕管式换热器的研究与开发

提出一种适用于逆流型缠绕管式换热器的换热工艺计算方法;应用数值模拟方法确定缠绕管束基本物理参数;通过控制进口流体速度的变化按照单股流缠绕管式换热器计算流程进行编程迭代计算;对比分析计算数据并建立低温缠绕管式换热器管束模型。研究表明:引入数值模拟方法可简化缠绕管式换热器管束的缠绕工艺过程的计算并获得换热器结构总体设计参数;可应用于建模过程并将所建模型及相应三维物理模型应用于传热工艺计算过程;可通过编程计算改变流速等参数并优化整体设计计算过程。     

选区激光熔化制备Hastelloy-X合金的有限元模拟及其高温蠕变性能

基于选区激光熔化(SLM)成型原理,利用体生热率法模拟热源模型,采用ANSYS参数化设计语言实现激光热源的移动加载,通过有限元模型模拟了Hastelloy-X合金在SLM成型过程中单层瞬态温度场和熔池的形貌,并对模拟结果进行了试验验证;研究了SLM成型试样的高温蠕变性能,并与固溶态Hastelloy-X合金热轧棒材的进行对比。结果表明:体生热率法能够较好地模拟SLM成型过程中的单层瞬态温度场,计算得到的熔池尺寸和一次枝晶间距与试验结果吻合较好;在相同蠕变试验条件下,SLM成型试样的稳态蠕变速率远低于固溶态Hastelloy-X合金热轧棒材的,但二者的蠕变应力指数相近,且均主要通过位错的移动和攀移进行蠕变变形。