激光粉末沉积温度场和应力场的有限元数值模拟

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1、IE塞銮通太堂亟±堂焦监室主塞煎噩中文摘要摘要：激光维修是基于激光粉末沉积的先进修复技术，具有广阔的应用前景，但是激光维修产生的应力和变形仍是高精度维修的主要障碍。对激光粉末沉积的温度场和应力场进行有限元数值模拟，分析沉积材料和工艺因素的影响，有效地控制应力和变形，对于促进激光维修技术的工程应用具有重要意义。本文以ANSYS有限元软件作为分析手段，对激光粉末沉积的温度场和应力场进行了动态数值模拟。采用移动高斯热源模型，综合考虑传导、对流、辐射换热和相变潜热的影响，以及采用“生死”单元方法，较好地实现了激光粉末沉积过程温度场和应力场的

2、有限元模拟。以重载车辆发动机齿轮轴材料38CrSi作为基体，分别对Ni．Cr-B—Si、Co·CroW、Fe．Mn合金三种沉积材料和不同激光功率、扫描速度及光斑直径下的激光粉末沉积过程进行了有限元数值模拟，得到了激光粉末沉积温度场和应力场随粉末材料和工艺参数的变化规律，分析了温度场和应力场的变化机理，对模拟结果进行了实验验证。随着激光功率增大、扫描速度提高和光斑直径减小，温度梯度变大，残余应力增大，其中光斑直径对温度场和应力场的影响最为强烈。激光粉末沉积有限元数值模拟的残余应力及其分布与实际测量结果基本相符，有限元数值模拟可以较好地

3、反映激光粉末沉积温度场和应力场的变化和分布规律。关键词：激光粉末沉积；温度场；应力场；有限元分析；数值模拟分类号：TN249；0242．21韭哀交煎太坐亟±堂焦j金塞△旦§卫坠￡IABSTRACTABSTRACT：Laserrepairbasedonlaserpowderdepositionbelongstoadvancedrepairtechnology．Ithasextensiveapplicableprospect．Butthestressanddistortionproducedinthelaserrepairprocess

4、hampersits印plicadotl，especiallyinthehighprecisionrepairSoitisimportanttoresearchthethermalfieldandstressfieldoflaserpowderdepositionandanalyzeinfluenceofthepowdermaterialsandprocessingfactorsinordertocontrolanddecreRsethestressanddistortion．Inthisthesisthethermalfielda

5、ndStrel3SfieldoflaserpowderdepositionweredynamicallysimulatedbyANSYSfiniteelementsoftware．Inthemodel，themo“ngGuassthermalsourcewasadopted．Theinfluenceofheattransfer,convection,radiationandphasetransformationheatwasconsideredcomprehensively．Thepowderadditionwassimulated

6、bykillingandactivatingelement．Asaresult,thefiniteelememsimulationofthermalfieldandstressfieldoflaserpowderdepositionWaswellrealized．38CrSisteelWasusedassubstratematerial．Ni—Cr-B—Si，Co·Cr-WandFe—Mnalloypowdersweredeposited．LaserpowderdepositionprocessWassimulatedunderth

7、evariouslaserpower,scanningvelocityandbeamdiameter．ThevariationofthethermalfieldandstressfieldwitllthepowdermaterialsandprocessingparametersWasobtained．Themechanismofthethermalfieldandstressfieldvariationswaganalyzed．ThesimulatedresultswaspmvedbyXdiffractionexperiments

8、．Withtheincreasedlaserpower,increasedscanningvelocityanddecreasedbeamdiameter,thetemperaturegradientwasincreasedandth