钛合金激光熔丝增材制造的温度场与应力场模拟

激光熔丝增材成形过程中复杂热循环和残余应力分布会使沉积层产生较大的变形甚至开裂.利用ABAQUS软件建立其完全热力耦合有限元模型,采用移动热源子程序模拟激光加载,生死单元技术模拟材料的添加.综合考虑了材料的熔化潜热、对流/辐射换热边界条件、随温度变化的材料非线性等问题,研究Ti-6Al-4V 钛合金单道多层薄壁件沉积过程中的热循环特性和残余应力分布.结果表明:沉积成形经历了快速加热、快速冷却的过程,随着层数的增加,热累积效应增强;沉积层整体呈拉应力状态,易产生裂纹等缺陷.     

机器人等离子熔射成形过程模拟及实验研究

建立了机器人等离子熔射成形过程数学模型,采用ANSYS数值模拟软件对多周期的机器人熔射成形过程进行数值模拟.模拟分析了不同叠加角度条件下的多周期熔射成形过程并与实验结果进行了比较.结果表明采用90°轨迹叠加角度,可以获得具有最小残余应力分布和更加致密组织结构的金属皮膜,有利于提高熔射金属皮膜的成形性.     

薄壁轴向微沟槽铜管高速旋压成形数值模拟

本文利用有限元分析软件MARC对薄壁轴向微沟槽铜管钢球高速旋压成形过程进行模拟,建立了简化的1/4旋转对称模型,并采用了更新拉格朗日算法和全局网格重划分技术,成功解决了模拟过程中的网格穿透和收敛问题.对薄壁微沟槽铜管的成形特征和残余应力、等效应力应变的分布规律进行了分析.结果表明,成形过程中,金属会出现回弹效应并由此产生凹口等缺陷;等效应力应变及三向应力应变沿轴向呈层状分布,表层应力超过材料应力极限导致铜屑产生,且易出现断管现象;沟槽底部的等效应力应变和残余应力大于齿顶与外表面.过大的残余应力容易造成材料脆化,进而产生粗糙形貌.该研究对优化成形工艺参数,抑制缺陷产生有着重要意义.     

薄壁轴向微沟槽铜管高速旋压成形的数值模拟

利用有限元分析软件MSC.Marc建立了简化的1/4旋转对称模型,对薄壁轴向微沟槽铜管的钢球高速旋压成形过程进行模拟,并对成形特征和等效应力应变、残余应力的分布规律进行分析.结果表明:成形过程中,金属回弹效应会导致齿根部出现凹口缺陷;等效应力应变及三向应力应变沿轴向呈层状分布,沟槽管外壁面应力超过材料应力极限导致铜屑产生,且易出现断管现象;沟槽底部的等效应力应变和残余应力大于齿顶与外壁面的应力;过大的残余应力容易造成材料脆化,进而产生裂纹等缺陷.     

金属熔积直接成形翘曲变形的有限元分析

为了研究不同热边界条件对熔积直接成形金属零件翘曲变形的影响,运用有限元法建立了三维模型,通过变换冷却和加热条件来分析直壁件熔积成形过程在不同热边界条件成形过程中温度、应力变化和最终翘曲变形.模拟结果表明：熔积过程中运用随焊冷却技术,能使熔积层温度迅速降到接近环境温度,并在随后的时间内保持很低的温度梯度,从而减小了冷却阶段的应力水平,使得翘曲变形量降低;而熔积成形前对基板预热处理会增加热积累和温度梯度,导致残余应力及翘曲变形量的增加.     

TIG焊墙体成型结构的热应力分析

以简单的墙体成型为例,提出三维热-机耦合模型,用单元生死模拟金属的堆积成型,分析2种不同堆积路径(Z型焊接和同一方向焊接)下的温度场和残余应力分布.结果表明:在不同堆积路径下,温度场和残余应力的分布不同;同一方向焊接所产生的温度场及残余应力比Z型焊接小,但在墙体结束端底部位置,同一方向的Z向应力zσ较高,容易造成墙体和基板断开;Z型焊接在结束端上呈现波动式的高Z向拉应力,容易造成层状撕裂;在熔焊快速制造中,建议焊前对基板进行预热,并在焊后对整个结构进行热处理,以减小残余应力,提高其使用性能.     

TC4钛合金激光熔覆路径选择数值模拟研究

使用数值模拟技术,建立了不含预制裂纹的TC4钛合金三维激光熔覆有限元模型,并运用扩展有限元方法(XFEM)模拟裂纹扩展。对直线单向熔覆、直线往复熔覆和对称往复熔覆3种不同熔覆路径下,TC4钛合金激光熔覆温度场、应力场以及裂纹扩展过程进行了模拟。研究结果表明:采用对称往复的熔覆路径,熔覆过程温度场分布较为均匀,最大峰值温度为2 755.02℃,该温度下熔覆涂层与基体能够形成良好的冶金结合,最大残余应力为884 MPa,显著小于其他两种熔覆路径的最大残余应力;裂纹产生最少,裂纹扩展距离最短。与试验结果较为符合。     

有限差分法在铸造应力场模拟中的应用

基于单向热-力耦合模型,用有限差分法(FDM)进行温度场模拟,将所求得的温度结果作为体载荷施加到应力分析的三维模型中,采用不同差分格式对控制方程进行离散,计算应力应变,开发出FDM/FDM铸件热应力场数值模拟系统.该系统使得铸造应力应变分析与传热分析使用同一FD网格模型,避免了采用不同模型进行热-力耦合分析时的结点匹配问题,减小由此产生的单元温度载荷传递误差.采用实际铸件进行了浇注实验和残余应力测试试验,模拟结果与实际情况一致,表明FDM可以用来模拟铸件残余应力的形成和预测热裂产生的倾向.     

增/减材复合加工316L宏观形貌和残余应力试验

为了研究激光功率P、送粉速率f和扫描速度v_f对熔覆层宏观质量的影响,采用正交试验进行激光熔化沉积的单层单道成形试验研究.以熔覆层的形状系数ξ为评价指标,通过极差分析获得P,f和v_f对几何形貌影响的主次顺序.结果表明:在一定工艺参数范围内,f对熔覆层ξ的影响最大;最佳工艺参数组合是P,f和v_f分别为1kW,0.7g/min和600mm/min.利用X射线衍射法对增/减材复合制造316L不锈钢薄壁圆环表面残余应力的分布进行了试验研究.结果表明:试样表面的顶部和底部是拉应力,中间部分是压应力;铣削加工可以消除一部分残余应力.     

基于各向异性热导率设置的选区激光熔化成形过程仿真分析

针对选区激光熔化(SLM)工艺下零件中高残余应力问题,同时考虑到打印过程中熔池对流效应,本文通过设置各向异性热导率材料参数,利用有限元方法对Inconel 718合金粉末SLM成形过程中的温度场和应力场进行模拟,分析了基板预热温度对成形件残余应力的影响。结果表明,选择合适的各向异性热导率增强系数可显著提升温度场的仿真精度,并且越靠近热源中心区域,温度梯度越大;在应力方面,高应力区域集中分布于成形件上表面,最大残余应力位于成形件与基板的交界处,此处易发生开裂变形;采用基板预热方式能改善成形件中残余应力分布,随着预热温度提升,最大残余应力降低,成形件上表面高应力分布区域减小。     

7075-T6铝合金薄板激光对接焊温度场与残余应力分布

为了研究铝合金薄板激光对接焊温度场与残余应力分布,推导了考虑焊接深度的热流密度分布的修正函数.利用生死单元技术,运用ABAQUS软件、FORTRAN和PYTHON语言编写的子程序,建立了7075-T6铝合金薄板激光对接焊的有限元模型,获得了在不同时间点的对接焊温度场和残余应力分布,采用梯度网络提高了有限元模型的运算速度和计算精度.研究结果表明:建立的有限元模型能够快速、有效模拟铝合金薄板激光对接焊温度场和残余应力分布;残余应力存在误差的原因,可能在于激光焊接过程中,热源经过横截面时产生的剪切挠曲所致.试验结果同时也验证了有限元模型的正确性和可行性.     

超声微锻造辅助激光熔丝增材制造数值模拟研究

激光熔丝增材制造技术能大大提高制造效率,但制件存在复杂的残余应力,导致制件内部缺陷多.为了解决这些问题,将超声微锻造与滚压相结合对制件表面进行高频率击打,使金属表层产生塑性变形,将原有的拉应力转变成压应力.以TC4为研究对象,利用ANSYS对激光熔丝过程进行热-结构耦合数值模拟,并施加超声滚压微锻造,分析微锻造前后应力场的变化情况.研究结果表明:激光熔丝熔覆层应力分布更加均匀,拉应力减小,甚至转化为压应力,有效地抑制制件内部缺陷的形成.     

随焊冲击碾压控制焊接应力变形防止热裂纹机理

为了解随焊冲击碾压法机理,用数值计算方法对冲击碾压轮引起薄壁结构焊缝金属塑性流变行为和应变场变化进行了分析.前轮对处于脆性温度区间的焊缝金属施加一个横向挤压塑性应变,减小甚至抵消致裂的拉伸应变,防止了焊接热裂纹的产生.后轮将焊缝金属的纵、横向压缩塑性变形充分碾展,减小了工件的残余变形和应力.实验结果证明随焊冲击碾压法能将平板薄壁试件纵向挠曲和横向收缩变形控制在常规焊接状态的1/10和1/5, 残余应力值也明显降低; 焊缝表面没有热裂纹,平整光滑.     

一种履带梁振动时效工艺应用

介绍了焊接结构件中残余应力的产生原因,危害以及振动时效的工作原理和工艺方案,对掘动时效工艺与热时效工艺进行了技术经济分析,以振动时效工艺在一种履带梁(焊接结构件)上的应用及试验效果验证,论述了振动时效对降低、均化金属结构件的残余应力,提高抗变形能力,稳定尺寸精度和防止裂纹有好的效果,可取代热时效.     

带凸缘深锥形薄壁回转件旋压成形工艺分析

带凸缘深锥形薄壁回转件作为航空发动机钣金机匣类零件的一种,通常由锥形件和凸缘环2部分焊接组成,具有材料难成形、易破裂等特点。针对焊接易导致零件产生变形降低加工精度的难题,提出了多工步整体热旋成形零件方法。基于Simufact.forming软件,对高温合金GH3030进行4道次的热旋成形仿真,分析了应力应变场变化,发现零件锥形部分应力应变分布均匀,而凸缘环与锥形件过渡部分应力应变较大;芯模分段不同转速保持恒定线速度的成形方法可确保深锥形件的壁厚均匀性。分析结果表明,该多工步整体热旋成形工艺可行,为带凸缘深锥形薄壁回转件的旋压成形提供了理论基础。     

低熔点金属熔融三维直写技术研究

针对现有金属件增材制造技术存在成本高、效率低的问题,提出一种低熔点金属熔融三维直写技术,并适用于汽车、机床等行业中试制金属模具及零部件的小批量、多品种、高效率、直接增材制造。首先介绍金属熔融三维直写技术原理,然后分析直写喷头的结构以及使用过程中的温度分布情况。最后采用有限元模拟和工艺试验相结合的方法,对薄壁金属件的三维直写过程进行研究。研究结果表明:金属熔融三维直写喷头使用过程中的温度沿高度呈抛物线分布,且喷头能较好地实现连续导丝和高效熔丝的功能;金属熔融三维直写过程中温度场分布极不均匀,且随着成形高度增加,高温热影响区持续扩大,散热路径加长;在直写过程中,成形件上节点处的循环性温度变化可使得相邻两层间在该节点处实现层间重熔;采用金属熔融三维直写工艺可以实现薄壁金属件的增材制造,金属件层间达到冶金结合。     

Ti-Ni形状记忆合金的高温变形性能

为了研究Ti-Ni形状记忆合金在不同温度、应变率和应力状态下的力学性能,进行了单向拉伸和热胀形试验研究.采用单向拉伸试验,分析了温度和应变速率的变化对材料流动应力及塑性成形的影响.通过热胀形实验,研究了压力,保压时间及凹模直径对成形性能的影响.发现成形件高度主要受压力影响,而凹模直径则对壁厚分布影响较大.     

钎焊降温速率对板翅结构钎焊残余应力和等效热变形的影响规律

为了研究不同钎焊降温速率对板翅结构内部的钎焊残余应力和等效弹性热应变的影响规律.建立了板翅结构的三维热应力分析模型,采用热-结构耦合的方法,模拟分析了不同钎焊降温速率下,钎焊残余应力和等效弹性热应变的变化情况.研究结果表明:板翅结构内部的钎焊残余应力随着钎焊降温速率的减小而减小;不同钎焊降温速率下,板翅结构内部的钎焊残...     

基于不同减薄量的镍钛合金管热旋压成形分析

为探索镍钛形状记忆合金管热旋压成形规律,采用有限元法进行了镍钛形状记忆合金管滚珠热旋压成形模拟,获得了镍钛合金管坯在不同壁厚减薄量下的温度场、应力场和应变场,并进行了旋压载荷的预测.模拟结果表明,热旋压成形时管坯及芯模和滚珠与管坯接触部位的温度都有不同程度的上升,并且随着壁厚减薄量的增加,管坯、芯模和滚珠的最高温度均呈上升趋势.管坯应力沿管坯周向差别较大,而应变则在管坯壁厚方向上变化较大,外层金属较内层金属更易发生塑性变形.随着减薄量的增加,各方向的旋压载荷均明显增大,轴向载荷远远小于径向和切向载荷.     

大型构件去除成形中零残余应力控制

现代航空工业的快速发展,对飞机高速、高机动性能、高负载和服役寿命提出了越来越高的要求,因此,需要在不断地提高飞机结构强度和效率的前提下降低其自身结构重量。为此,新一代飞机普遍采用毛坯直接铣削加工成具有复杂型腔、筋条和凸台的大型整体结构件,比如:整体壁板、后尾梁缘条、隔框等大型复杂结构件,进而对其加工制造质量提出了更加严格的要求。以加工制造过程中残余应力的传递和控制为主线,针对整体薄壁构件表面质量控制要求,以高速切削已加工表面残余应力的传递作为主线,建立高速切削已加工表面在力、热耦合作用下的残余应力预测模型,并分析已加工表面完整性与构件疲劳裂纹萌生的关联机制,从而有效指导切削加工过程表面残余应力的调整控制。针对大型整体薄壁构件切削加工形状精度控制要求,研究大型整体薄壁构件高速铣削加工过程中体残余应力的释放和重分布规律,发现厚板毛坯初始体残余应力的非均匀释放和重分布对构件切削加工形状精度的影响,提出对称分层铣削工艺方法实施切削变形控制。针对大尺寸柔性件形状检测评价和偏差溯源的难题,通过建立梁缘条切削变形与后缘组件装配变形的模式匹配关系,实现大型薄壁构件切削加工形状精度的准确评价和切削变形偏差源诊断,指导梁缘条切削加工形状精度补偿策略。