冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^-1)对温度场的影响。结果表明：模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。     

基于CMT的不锈钢电弧增材制造温度场研究

建立了基于SYSWELD的不锈钢CMT增材制造过程中的有限元模型,并对模型进行热循环曲线验证;对比了3种常用弧焊增材制造路径下的温度场。数值模拟结果表明,基板对前4层熔覆层的冷却速率影响较大,且基板能够影响的层数与增材制造方式无关。增材制造到一定层数后,熔覆层中的温度趋于稳定,控制层间温度时,稳定后的温度较低。不锈钢采用连续增材制造时不会产生明显过热现象。     

多层熔丝增材数值模拟及残余应力控制研究

在多层熔丝增材过程中,高度集中的瞬时热输入将引发相当大的残余应力和变形,因此,研究其残余应力演变规律将对增材工艺设计意义重大。通过植入可控移动焊接热源程序于ABAQUS中,建立了多层熔丝增材有限元模型,分析了熔丝过程中的温度场和残余应力的演变规律,并研究了各工艺参数对多层熔丝增材残余应力的影响规律。结果表明,在一定范围内,在较高的熔丝线能量、较低的熔丝速度和高的预热温度下,残余应力水平较低。     

尼龙6粉末选区激光烧结中能量累积的数值模拟与实验研究

选区激光烧结的逐行逐层的增材制造是一个能量的持续作用过程。对不同的线能量密度、不同预热温度的尼龙6粉末烧结过程进行建模和仿真,结合反映烧结样品热氧老化程度的黄蓝指数b~*值的测量,对烧结过程的能量变化进行了分析。结果表明:不同线能量密度的单层烧结,连续5行扫描烧结区能量增加约3.4%～7.82%,扫描能量较小时累积较为明显;预热温度从25℃增加到180℃时,烧结区能量的增幅为9.17%～5.66%;多层烧结中10层以下能量累积较快,增幅为11.66%,10～20层仅增大0.67%;虽然均表现出由于热平衡而使得在较高能量下的累积减缓,但是,实验烧结样品外观的黄蓝指数测量显示,对应b~*值从25℃的2.15增大到180℃的11.65;烧结4～20层时则由6.81上升到31.02,样品黄色程度在加深,表明烧结样品的热氧老化也越严重;故了解烧结过程的能量变化及相关工艺参数优化,将有助于提高烧结样品的综合质量。     

不同工艺下GH4169镍基高温合金电弧增材制造热力场数值模拟

采用Simufact Welding软件建立电弧增材制造GH4169镍基高温合金的有限元模型,对该模型进行了试验验证,模拟分析了不同沉积路径(单向沉积、往复沉积)和不同层间冷却时间(0,60,120 s)下多层单道成形过程中的热力场及变形量。结果表明:模拟得到电弧增材制造过程中的热循环曲线和残余应力与试验结果相吻合,相对误差分别小于9%和3%,验证了该模型的准确性;与单向沉积路径相比,往复沉积路径可以改善成形件热分布和应力场分布的均匀性,应力场和热积累的影响范围较小,温度和残余应力较低,变形对称性较好;随着层间冷却时间的延长,热积累、残余应力和变形量均降低,但降低幅度逐渐减小。采用往复沉积路径且层间冷却60 s时,电弧增材制造GH4169镍基高温合金的成形质量较好。     

CMT增材制造层间温度影响规律试验研究

利用基于CMT焊接技术的增材制造系统,研究层间冷却温度对多层单道增材制造件的宏观结构、金相组织、力学性能的影响。结果表明,一定参数范围内,当送丝速度、熔覆速度、电流电压一定时,层间温度越高,熔覆层塌陷越严重,影响增材构件的成型。由于前熔覆层的预热作用,晶间铁素体生长时间更充分,变得更加粗大,使得构件的拉伸强度下降,且拉伸试样断裂类型为韧性断裂。试验研究表明,层间温度≤150℃时,可以得到晶粒较细、性能较好的构件。     

基于动态热流分配的限滑离合器温度场分布研究

为了准确获得限滑离合器长时间滑摩过程的温度场分布规律，利用Fluent软件求解了摩擦副不同工况下流场速度分布以获取平均对流换热系数，计算了润滑油冷却功率；通过热平衡法建立以摩擦接触表面温度连续为约束的动态热流分配温度预测模型，并设计了长时间滑摩试验。验证分析结果表明，定热流输入条件下，对偶钢片与摩擦片间存在温差且随时间增大，温度预测结果均高于试验值，最大偏差22.2 K；动态热流分配温度预测偏差在8.1 K之内；对偶钢片表面各位置处输入热功率随时间下降并趋于定值，平衡温度沿径向呈抛物线分布，在中、外径处达到峰值。     

贯穿裂纹损伤的压缩机叶轮激光增材修复工艺研究

在复杂的服役载荷作用下,某型号CO2压缩机第七级叶轮轮盘处出现了"贯穿裂纹",极大地影响了安全生产.为了快速高效地恢复叶轮的功能,对激光增材温度场与修复工艺进行了研究.建立逐层沉积有限元模型,进行温度场数值模拟,指导工艺参数优化;开展损伤叶轮增材再制造方案设计与实验,检测叶轮增材再制造质量,进行台架考核实验.研究结果表...     

液态模锻与分层制造技术

以航天巡航导弹的成形工艺为研究对象，结合液态模锻与分层制造，提出逐层浇注一累积液锻成形技术。研究表明，分层制造的层厚愈薄愈好，而逐层浇注一累积液锻的层厚受层间结合影响，一般在保证层间结合为冶金结合的前提下，选取较小的厚度为佳；通过高径比为1．8的筒形薄壁件成形实例说明，当层数为3，层厚为44mm，模具温度460℃，浇注温度780℃，加压前停留时间为4s，施加压力为800kN(比压为212．6MPa)，保压时间为5s时，获得了很好的冶金结合效果，其抗拉强度σb=378MPa，延伸率δ=8．6％，接近锻件，远高于铸件。     

玻璃钢化冷却过程的建模与仿真

欲实现玻璃钢化的全过程实时性控制,须弄清其冷却过程中的温度分布。有限元模拟可利用材料热物性参数的变化,全面、准确地描述其温变过程。在玻璃钢化冷却过程温度场和边界条件的数学模型基础上,结合材料变温过程热物性参数的变化,利用ANSYS对钢化过程进行三维模拟,精确计算玻璃温度分布随时间变化情况。结果表明:在淬冷的前10s,玻璃板温度迅速下降到转变范围以下,中心部位最大温差为150℃左右;随后,玻璃内部热传导速率缓慢增加,内外部温差逐渐减小,与现场实际情况相符合。     

7075铝合金激光熔丝增材制造热循环和温度梯度对熔池凝固组织的影响研究

7075铝合金兼具高比强度、低密度和良好耐腐蚀性等优点,在航空航天领域应用广泛。基于传统制备方法存在加工过程复杂、材料利用率低及零件表面精度低等问题,使用激光熔丝增材制造技术可在较短时间和较少成本下成型低缺陷高精度的7075铝合金零部件。本研究采用不同工艺参数制备了7075铝合金单层单道和单道多层增材试样,基于有限元方法系统分析了不同激光功率对沉积层温度场分布和微观组织的影响,以揭示热输入诱导的微观组织差异对7075铝合金沉积层硬度的影响机理。结果表明：随着激光功率从1 600 W增加到2 200 W,熔池峰值温度提高12.5%,温度梯度从62.8℃/mm减小至12.4℃/mm,沉积结构高温区域面积增大,熔宽增长20.85%,单道多层试样的峰值温度增幅大于单层单道。随着激光功率增加,沉积层上部、中部和下部的晶粒尺寸增大,晶界处第二相析出物含量减少,从底部至顶部均出现柱状晶至等轴晶转变。不同激光功率下增材试样在不同位置的显微硬度均达到90 HV以上。     

熔融堆积3D打印成形金属件层间结合研究

金属件熔融堆积3D打印过程中,制件的层间结合性能主要取决于热作用过程,因此对成形过程温度变化进行研究显得尤为重要。该研究基于熔融堆积3D打印成形特点,建立了成形过程有限元分析数学及物理模型,并使用ANSYS有限元软件对不同熔融金属温度、基板温度及堆积速度条件下成形过程温度场变化进行模拟研究。结合相同参数条件下的对比工艺试验,研究了这些参数对最终成形金属实体层间结合性能的影响。研究结果表明:随着熔融金属温度、基板温度的升高,以及堆积速度的增加,成形实体温度上升速度加快,高温热影响区增大,温度梯度减小,实体层间结合及拉伸性能提高,并在熔融金属温度160℃,基板温度90℃,堆积速度16mm/s参数条件下打印出了层间结合良好的铋锡合金实体。     

电弧增材工艺参数对成形质量的影响

基于电弧增材逐层熔覆特性,单焊道成形质量对多层多道堆积成形具有重要影响。本文通过正交试验方法研究了TIG电弧增材技术中工艺参数对焊道余高及熔宽的影响规律,建立了焊道几何尺寸的数学模型。在此基础上进行了单道多层堆积及多道搭接实验,研究了其微观组织及显微硬度。结果表明:单层搭接时道间冷却充分,重叠部位分区明显,焊道两侧硬度大,不完全重结晶区域硬度较低;层间冷却5 s时堆积层分层不明显,顶层为片状组织,中下层大致为等轴晶组织,靠近基板的焊缝区硬度最大。     

三元锂电池模块热仿真风冷优化设计

模块风冷热设计的主要目的是控制温度上限并尽可能地提高各单体之间的温度均匀程度,延长循环使用寿命.本文使用模块热仿真分析模型对比计算了 2P10S三元高比能电池模块不同工况下的冷却效果:自然冷却工况下1C放电结束时刻温升约15.5℃,单体间最大温差在2℃以内;强制风冷工况下温升比自然冷却工况降低约3℃,但单体间最大温差扩大至5℃以上;并通过模块热仿真技术对2P10S三元高比能电池模块的强制风冷技术进行了优化设计研究,发现使用流速为0.5m/s、温度为环境温度的冷却空气就可以满足散热的需要,且有助于保持较好的电池单体间温度一致性.     

激光增材制造工艺过程的有限元模拟

激光增材制造工艺过程中热应力的大小及变化规律显著影响加工质量和工件的可靠性,为了明确激光增材制造过程中热应力的变化,采用生死单元技术对激光增材制造过程进行模拟,并采用双椭球热源模型模拟激光热源,从而计算激光增材制造过程中温度场分布、热应变及热应力变化过程。计算结果表明,激光增材制造过程中,增材厚度、增材层数等制造工艺对整体温度场影响较大,增材厚度越大,增材层数越少,激光增材制造峰值温度越低,材料温度变化幅度越小。在激光增材制造过程中,出现明显拉应力,有可能是导致激光增材制造过程中材料断裂的重要原因。激光增材制造过程中,变化的热应力具有峰值较高,变化速度较快,持续时间较长的特点。     

摆线齿轮成形磨削温度场分布研究

高精度RV减速器摆线齿轮齿面精加工过程中齿槽将砂轮包容,大部分磨削能转化为热能,引起磨削区温度急剧升高。过高的磨削温度将造成齿面表层出现二次回火烧伤、白层等热损伤。为防止热损伤的出现,在湿磨工况下采用不同磨齿工艺参数对齿面温度场分布情况进行数值模拟。采用理论分析计算出磨削过程中热量分配比及对流散热系数,运用有限单元法和计算机仿真软件对湿磨工况下齿面温度场分布情况进行仿真。研究结果表明:磨削深度a_p对齿面温度场分布情况有较大影响;冷却液的对流换热作用能够及时有效的降低齿面温度,摆线轮齿面的精加工环境应当在湿磨工况下;其他磨削工艺参数不变时,随着磨削深度a_p的增加,磨削液的冷却作用使齿面温升梯度较缓。仿真实验结果对预测湿磨工况下摆线轮齿面温度场分布情况及合理选用湿磨磨齿工艺参数有重要的应用价值。     

ABS材料对讲机外壳设计与3D打印优化成型

3D打印又称三维打印、快速原型制造和增材制造,该项技术作为快速成型领域的一种新兴技术发展迅猛,但是在使用过程中也存在着设备打印材料单一、精度低、调整能力差等缺点,采用ANSYS软件中的APDL语言编写命令流,建立分析模型与运行路径,分析不同打印参数对3D打印过程中温度场的影响,计算喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V三个参数对温度分布、节点冷却-时间、温度梯度和冷却速率等影响,最终得到最佳打印参数为喷头温度T1=200℃、成形室温度T2=90℃、打印速度V=30mm/s。通过"有限元分析—验证—改进设备(如有需要)—打印对比—得出优化结果—生产、制造"这种思路与方法,可以推广到绝大部分塑料(如PP、PC、PEEK等)的打印中,并可以进一步推广到金属与合金的3D打印过程中去,能够有效的减少计算时间和验证频率,具有很高的应用与技术价值。     

低温沉积成型过程温度场建模与仿真分析

低温沉积成型是一种现代绿色的增材制造技术。在沉积过程中随着沉积层的增高,冷冻所需要时间也在变化。建立了低温沉积过程的温度场模型,运用数值模拟的方法对沉积过程的温度变化进行模拟仿真。分析出凝固时间和初始温度、沉积层数、环境温度和层间等待时间的关系,找到了最短冷冻时间,提高了沉积效率。低温实验的结果也证明了模型的正确性。     

金属激光增材制造层间偏移量对熔池温度的影响

金属激光增材制造过程中熔池温度变化对加工质量具有重要影响,为研究Hastelloy C-276合金球形粉末激光增材制造层间偏移量对熔池温度的影响情况,搭建了熔池温度实时监测系统。采用非接触式红外测温手段测量了不同层间偏移量薄壁件加工过程中熔池温度变化情况。结果表明,不同层间偏移量倾斜薄壁加工过程中熔池温度变化有相似规律,即开始时温度急剧增大,后继续增大至峰值点,进而缓慢减小,最后基板温度累积效应和环境的影响达到平衡,倾斜薄壁熔池温度趋于稳定。另外,熔池截面面积随着层间偏移量的增大而增大,熔池捕获金属粉末的能力随之增强,受此影响,熔池平均温度与层间偏移量呈负相关关系。     

一种低功率实现高表面质量的细丝增材制造试验研究

针对在轨制造功率约束与金属增材成形高能量输入的矛盾问题,提出一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造工艺,激光功率仅约50 W,成功制造了宽高比高达40的薄壁结构,使用焦耳热加热丝材可以大大减少激光的功率,从而控制总的热输入,并对成形过程进行有效的热量管理,引入热阻概念进行递变参数优化的方法,有效减小了增材制造特有的台阶效应,成形件表面质量好,表面粗糙度Ra小于5 μm,优于激光选区熔融（Selective laser melting,SLM）工艺,同时,成形件无气孔和裂纹等缺陷,成形件的抗拉强度、致密度以及硬度分布等性能指标,也很接近制造原材料。结果表明,该激光焦耳细丝沉积（Laser Joule fine wire deposition,LJ-FWD）工艺,可以成为高表面质量零件增材制造的一个有吸引力方案,特别适合应用于太空在轨增材制造的快速成形。