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200~300 W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工艺参数的调整与优化具有重要的参考价值。     

基于CFD的汽车冷却系统水泵叶轮设计与实验

针对某类型汽车发动机冷却水泵功率大,效率低等缺点,基于离心泵设计与计算流体力学（CFD）理论,提出了一种新型半闭式摆线型水泵叶轮设计方法,建立了水泵压力-速度耦合流体力学模型,结合实验对新、旧水泵流量、功率、效率等特性进行了分析,结果表明新水泵在功率上有大幅降低,效率得到提高。     

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。     

激光选区熔化的风场仿真与流道结构优化

针对激光选区熔化的黑烟残留问题,基于E-Plus-M250激光选区熔化成形设备,运用ANSYS ICEM CFD、ANSYS FLUENT等软件对保护气供气流道截面与成形仓黑烟产生区域的截面进行仿真模拟,并根据仿真结果对保护气供气流道进行结构优化。结果表明成形仓粉床面的黑烟残留问题是由激光扫描区域风场分布不均匀造成的。对供气流道结构进行多次改进优化与流场仿真,结果表明,理论上可将进风口截面风速分布标准差值从0.472 7降低至0.182 1。实验验证了优化方案的有效性,采用优化后的流道结构能更有效地去除成形仓中激光熔化金属粉末时产生的黑烟。