激光熔覆殘余應(yīng)力場的數(shù)值模擬.pdf

1、激光熔覆是在基體表面形成與基體相互熔合且具有完全不同成分與性能的合金覆層的先進(jìn)技術(shù)。激光熔覆技術(shù)在新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。激光熔覆過程中，材料經(jīng)歷快速熔化快速凝固過程，同時(shí)伴隨著復(fù)雜的熱物理過程和微觀組織結(jié)構(gòu)生成過程。由于激光熔覆過程中激光的熱輸入作用，必然導(dǎo)致工件內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。而殘余應(yīng)力的存在會(huì)嚴(yán)重影響工件的機(jī)械性能和使用壽命。同時(shí)應(yīng)力的變化和分布難以通過試驗(yàn)的手段直接測

2、得。因此，對(duì)溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬是獲得溫度信息和應(yīng)力應(yīng)變信息的有效方法。
　　 本文分別采用ANSYS軟件和MSC.Marc軟件，分別采用順序耦合法和直接耦合法，建立了同步送粉激光熔覆過程應(yīng)力場的有限元模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算，主要內(nèi)容如下：
　　 使用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL，建立了同步送粉激光熔覆的有限元模型，定義了熔覆過程中的邊界條件、相變潛熱、隨溫度變化的熱物性參數(shù)等。采用ANSYS的生死單元方法模擬粉

3、末落入熔池的過程。模擬工作首先進(jìn)行了一個(gè)非線性的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程分析，得到了激光熔覆過程溫度場的分布。然后在溫度場的基礎(chǔ)上，通過單元轉(zhuǎn)換，把熱分析模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析模型，進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的彈塑性力學(xué)分析，得到了工件上殘余應(yīng)力的分布，并對(duì)應(yīng)力場模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。
　　 使用MSC.Marc非線性有限元通用分析軟件建立了同步送粉激光熔覆的熱力耦合數(shù)值模型。采用熱彈塑性直接耦合有限元方法，在考慮了材料性能參數(shù)隨溫度變化的情況下，對(duì)激光熔

4、覆以及后續(xù)冷卻過程中的應(yīng)力變化、應(yīng)力分布等進(jìn)行了分析。分別考察了工件表面和深度方向兩條路徑上的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明，熔覆層內(nèi)存在殘余拉應(yīng)力，且縱向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于橫向拉應(yīng)力，縱向殘余拉應(yīng)力是造成熔覆層開裂的主要原因。在熔覆層內(nèi)，VonMises應(yīng)力的大小接近材料的屈服應(yīng)力。建立了不同掃描速度下激光熔覆溫度場和應(yīng)力場模型，模擬得到了不同掃描速度下的溫度場和應(yīng)力場分布。結(jié)果表明：隨著掃描速度的增大，熔覆層表面的等效VonMises應(yīng)力峰值也隨