激光表面熔覆理论研究与数值模拟

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1、万方数据分类号UDC作者姓名：指导教师：密级学位论文激光表面熔覆理论研究与数值模拟苑晓菲邹平教授东北大学机械工程与自动化学阮申请学位级别：硕士学科类别：专业学位学科专业名称：机械工程论文提交日期：2014年6月论文答辩日期：2014年6月学位授予日期：2014年7月答辩委员会主席：原印杉评阅人：张犒。赵民东北大学2014年6月万方数据AThesisinMechanicalEngineeringTheoreticalResearchandNumericalSimulationofLaserSurfaceCladdingByYuanXiaofeiSuperVisor：Professo

2、rZouPingN0rtheasternUniVersityJune，2014㈣㈣舢㈣㈣㈣Y2995482万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：施晓稚日期：2DJ哏b25学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被

3、查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年∥学位论文作者签名：花硗面签字日期：仞f争6．z罗’导师签钒形℃缉红—一签字日期：2口／，午．6。2芦万方数据东北大学硕士学位论文摘要激光表面熔覆理论研究与数值模拟摘要作为一种经济有效的表面改性和快速成形方法，激光表面熔覆的应用领域伴随其技术的不断发展变得越来越广。激光表面熔覆是～个复杂的物理及冶金过程【1】，实践发现，要想获得优质的熔覆效果，熔覆层质量的保证是关键。熔覆质量受到诸多工艺参数的影响，在其实际应用中，要处理的最

4、重要的问题就是熔池温度的控制以及裂纹的避免，而熔覆过程中的温度与应力分布规律的把握是解决以上问题的前提基础。掌握激光表面熔覆的温度及应力分布规律，关键是确定熔覆过程中熔池的温度随时间的变化规律。但是在激光表面熔覆的应用实践中，复杂的热物理过程、极高的实验温度、毫米数量级的熔池大小、材料快速的固液状态变化，让用实验测定熔池中液体的温度分布规律变得非常困难【2l。数值模拟的发展为熔池温度的测定问题提供了～种便捷可靠的方法。通过对比各种有限元分析软件，本文选择ANSYS软件，利用其模拟激光表面熔覆过程的温度场，同时利用APDL语言编写程序对熔覆过程中的关键步骤进行参数化编程，通过改变实

5、验条件设定，进行多因子组合变化，比较辨析结果区别及综合作用效果。在温度场有限元模拟分析的基础上，本文还进行了激光表面熔覆的热力耦合模拟，研究了应力场的分布规律，并根据模拟结果探究了裂纹形成的机理，为减少和消除熔覆层裂纹提供了理论基础。主要做了以下工作：(1)对激光表面熔覆的相关理论进行阐述，形成了相对完整的理论体系构建。(2)基于ANsYS软件，进行了激光表面熔覆温度场、应力场的数值模拟，总结归纳了激光功率、扫描速度等工艺参数对熔覆效果及裂纹产生的影响。(3)在模拟过程中应用了APDL语言编写相应程序，在最大程度上还原激光热源作为移动载荷的加载过程，以“生死单元法”实现熔池金属的

6、熔化和凝固的模拟。关键词：激光熔覆；数值模拟；温度场；应力场；裂纹万方数据TheoreticalResearchandNumericalSimulationofLaserSurfaceCladdingAbstractAsakindofimportantmethodofsurfacemodificationandrapidprototyping，theapplicationareasforlasercladdingarebecomingwiderandwider．Lasercladdingissuchacomplicatedprocedurethatitisaffectedbyal

7、otoff．actors．Theprincipleproblemf．orlasersurfacecladdingistoensurethecladdingqualityandaVoidcracks．Figureoutthetenlperaturedist“butionandstressdistributioninthecladdingprocessisakeytosolVetheproblemInthepracticalapplicationoflasercladding，The