Ti6Al4V的激光选区熔化单道成形数值模拟与实验验证

对于Ti6Al4V材料的激光选区熔化（SLM）成形工艺,基于离散元方法（DEM）建立粉末颗粒随机分布的三维介观模型.采用流体体积法（VOF）对SLM成形过程的三维自由表面进行动态追踪;考虑TC4颗粒随机分布的粉床、随温度呈非线性变化的热物性参数、熔池自由液面演化、由温度梯度引起的表面张力以及蒸发作用;通过数值模拟研究激光与粉末颗粒相互作用过程中的传热、熔化、流动、凝固等过程. 结果表明,由温度梯度及表面张力梯度产生的马兰戈尼对流是影响熔池内部传热传质和熔池三维形貌的主要因素;线能量密度（LED）与马兰戈尼对流的强度呈正相关,当LED=92.9~183.0 J/m时,单道表面质量较优. 通过单道成形实验对熔池与熔道的三维尺寸与形貌进行观察分析,有效验证了数值模拟的正确性.     

激光选区熔化关键工艺参数对热物理过程的影响

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)采用激光束将金属粉末等分层熔融成形,在制造业中具有重要价值。然而成形过程中的热物理现象及各工艺参数对热物理过程的影响有待进一步研究。在综合考虑SLM成形过程中材料相变、粉体-实体不可逆转变等过程的基础上,建立了SLM成形316L不锈钢的多道扫描温度场数值模拟模型。研究了激光功率、扫描速率和激光束有效直径对SLM温度场、熔融时间、冷却速率和熔池尺寸等的影响,并通过实验验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明：熔融时间易受激光功率和扫描速率的影响,而最大冷却速率更易受激光束有效直径的影响。激光功率较低或扫描速率较大时,熔池尺寸较小,易形成孔穴类缺陷;激光束有效直径对熔池尺寸影响较小。随着激光功率增加,熔池稳定性先无确定变化趋势后增加;随着扫描速率增加,熔池稳定性不断降低;激光束有效直径对熔池稳定性的影响不确定。实验结果与数值模拟结果基本一致,研究结果可为SLM工艺参数调整与优化提供参考。     

超声振动辅助微镦粗仿真及试验研究

为改善材料塑性,降低微镦粗成形力,延长模具寿命,提高微镦粗成形质量,开展了超声振动辅助微镦粗研究.对紫铜超声振动辅助微墩粗进行建模仿真,研究超声参数对微墩粗成形力、试件变形的作用规律;搭建超声振动辅助微成形平台并进行试验,获取不同超声功率下紫铜微镦粗成形力曲线和成形件表面形貌、尺寸等参数.仿真结果表明:超声振动使微镦粗成形力降低,试件变形增大,且成形力降低量、试件变形增大量与超声振幅成正线性关系,与超声频率成非线性正相关.试验结果表明:超声功率越大,微镦粗成形力降低值越大;超声功率小于1.5 kW,超声功率越大,成形件表面越平整;超声功率大于1.5 kW,超声功率越大,成形件表面越粗糙;超声功率小于1.8 kW,超声功率越大,成形件鼓形越小,成形越均匀;超声功率达到1.8 kW后,成形件变形集中在两端,微镦粗成形严重不均匀.仿真和试验研究表明,超声振动可以降低微镦粗成形力,加速材料塑性变形,提高微镦粗成形效率,改善成形件表面形貌,减小微镦粗鼓形并提高微镦粗均匀性.     

基于组合热源模型的激光深熔焊数值模拟

针对激光深熔焊"螺钉"状焊缝截面,构造了高斯面热源和双椭球体热源叠加的组合热源模型。利用有限元分析软件ABAQUS和FORTRAN语言编写的用户子程序,实现了组合热源的加载,对激光深熔焊温度场进行了数值模拟。温度场结果表明,激光焊是快速加热和冷却的过程,且焊接工艺参数对熔池最高温度有一定影响。此外,分析了基于该组合热源模型所得的温度场与焊缝微观组织及显微硬度的关系,焊缝边缘的温度梯度比焊缝中心大,焊缝边缘处为柱状晶,而焊缝中心为等轴晶,焊缝的显微硬度比母材高。模拟所得熔池形状与试验中焊缝形状吻合较好,该模型能为激光焊工艺参数的预选和优化提供依据。     

A356-Sc铝合金在固液相区等温保温时初生相形貌演变的研究

利用低过热度浇注工艺制备了A356-Sc铝合金半固态浆料,研究了A356-Sc铝合金半固态初生相形貌在固液相区等温保温中的转变,讨论了等温温度和保温时间对A356-Sc铝合金半固态初生相形貌演变的影响.研究结果表明,半固态A356-Sc铝合金在目液相区经适当的等温保温能明显地改善初生相的形貌及颗粒尺寸;Sc添加到半固态A356铝合金中利于初生相的尺寸细化和初生相颗粒球形化.     

功率超声对纯铝凝固过程的影响及衰减特性分析

研究了超声波对凝固过程的影响,探讨了不同超声功率对纯铝凝固过程冷却温度变化,声流和空化对细化晶粒的作用,实验结果表明:在不同超声功率下处理的铸锭,凝固时间缩短,温度分布更加均匀,温度梯度场变小,在不同功率超声振动下凝固组织平均晶粒尺寸从500 μm变成为90 μm,但随着超声功率的增加细化程度不再明显.超声的衰减作用使铸锭不同位置的晶核细化程度有很大的不同,由于空化效应和声流搅拌双重作用效应,使凝固组织细化程度提高.     

电势条件对混凝土结构电化学修复数值模拟的影响

通过试验研究和理论分析,对比3类电势条件（常电势条件、电中性条件和高斯定理）对混凝土结构电化学修复过程数值模拟结果的影响. 利用物质守恒定律、Nernst-Planck方程和电势条件构建电化学修复过程的数值模型,通过数值模型比较电化学修复过程电势、氯离子浓度、净电荷数和电流密度等参数在混凝土内部的分布. 结果表明,在常电势条件下,除氯前端的氯离子浓度梯度较大;当采用电中性条件与高斯定理时,模拟氯离子浓度分布和电势分布结果较为相似,混凝土分别在辅助阳极与阴极钢筋区域形成电迁移加速作用区与抑制作用区. 试验研究电化学除氯过程的氯离子浓度分布. 试验结果与数值模拟结果的对比表明,采用电中性条件或高斯定理模拟氯离子浓度分布更接近试验测试结果,适用于钢筋混凝土结构电化学修复的仿真分析.     

GMAW焊接熔滴热焓量分布模型

根据熔滴的过渡过程及其与熔池的相互作用,提出了ＧＭＡＷ（熔化剂气体电弧焊）熔滴热焓量在熔池中的分布模型,应用数值模拟技术研究了焊接规范,热焓量分布,焊件温度场的相互影响,焊接工艺实验结果表明,给出的熔滴热焓量分布模型更符合实际,明显提高了温度场的计算精度。     

GMAW 焊接熔滴热焓量分布模型

根据熔滴的过渡过程及其与熔池的相互作用,提出了ＧＭＡＷ（熔化剂气体保护电弧焊）熔滴热焓量在熔池中的分布模型．应用数值模拟技术研究了焊接规范、热焓量分布、焊件温度场的相互影响．焊接工艺实验结果表明,给出的熔滴热焓量分布模型更符合实际,明显提高了温度场的计算精度．     

多道次热轧形变中混晶的细化规律研究

本文用定量金相的方法研究了多道次热轧形变条件下混晶奥氏体的细化规律。研究结果表明:形变在高温再结晶区进行时,起始奥氏体大晶粒或未再结晶晶粒明显细化,而小晶粒细化缓慢;形变在部分再结晶区进行时,主要是小晶粒或已再结晶晶粒细化,随温度下降,起始奥氏体大晶粒或未再结晶晶粒变得更难实现再结晶细化。此外,还研究讨论了产生上述结果的原因。     

摆动磁场条件下的焊接接头组织研究

为了优化不锈钢焊接工艺,提高焊接质量,进行了外加电磁场条件下的304不锈钢钨极氩弧焊(TIG),磁场施加方式分别为横向磁场和旋转磁场.焊后采用电子显微镜对焊接接头进行显微组织观察,研究了不同外加磁场类型和不同焊接速度对不锈钢焊接接头组织的作用规律.试验结果表明,外加磁场改变了熔池的流动形态,使金属液由四周向中心流动并伴有搅拌,也使焊缝熔深增大的同时,抑制柱状晶的形成,细化组织.     

铝合金薄板电子束穿透焊熔池的数值模拟

为有效地控制电子束焊接后的焊缝成形,得到符合要求的焊接结构,本文基于电子束焊接熔池物理过程的分析,使用有限体积法(FVM)数值模拟软件Fluent,对2mm厚的2219铝合金电子束穿透焊的温度场和流场进行数值模拟,研究了电子束穿透焊时熔池的流动行为及规律.模拟结果表明,电子束焊接形成穿透型匙孔时,熔池中液态金属的流速大小和方向迅速发生改变,最大流速可以达到10 m/s;产生的金属蒸汽反冲压力会使熔池剧烈震荡,熔池中远离匙孔的液态金属在Marangoni对流的驱动下,使熔池上、下两部分形成了较中间部分更长、更不稳定的拖尾,同时促进了熔池宽度的增加;熔池宽度和熔池拖尾长度分别在35 ms、90 ms左右达到了稳定.模拟焊接熔池凝固后,正面焊缝有一定的余高,背面焊缝有一定的收缩,其表面焊缝形态与实际焊缝形态吻合良好.此外,通过对熔池中液态金属的流速分析,还可以得出结论:金属蒸汽反冲压力对熔池的驱动作用远大于重力和表面张力的影响.     

壁面沟槽减阻数值模拟研究

针对壁面流动问题,在PHOENICS 3.6软件平台上,采用RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层速度分布和粘性阻力,研究了不同雷诺数对V型沟槽减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响,结果表明,对于一种尺寸的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,证明了沟槽具有削弱湍流湍动的功能。     

Microstructure evolution of AS41 magnesium alloy fabricated by ultrasonic vibration

The effects of ultrasonic vibration on the grain size and morphology of Mg2Si in Mg-4 wt% Al-1 wt%Si(AS41) alloys designed were evaluated. The results show that the major constituents of the alloy include β-Mg17Al12 and Mg2Si phase, and no difference in the type of constituents between without ultrasonic vibration and with ultrasonic vibration. Without any ultrasonic vibration, the grain size and Mg2Si phase in AS41 alloy are coare structure. However, the microstructure with fine uniform grains and Mg2Si particles are achieved with ultrasonic vibration. The crystal grains and Mg2Si particles refine with increase in the ultrasonic vibration intensity. When the ultrasonic vibration intensity was too low or too high, coarse structures could be obtained. The analysis of refinement mechanism indicates that the acoustic cavitation and flows induced by ultrasonic vibration lead to the fine uniform microstructure.     

超声珩磨油石的研究

本文根据作者的研究实践,提出并试验了在超声振动条件下油石和油石座的联接方法,指明了每种方法的适用范围.分析了超声珩磨油石的等效硬度特性,最后指出超声珩磨油石的硬度小于普通珩磨油石的硬度,超声珩磨油石的硬度随油石振幅的变化而变化.     

磁控状态下Fe90堆焊层显微组织对力学性能的影响

为了研究直流横向磁场对Fe90堆焊层组织和性能的影响,在Fe90自熔堆焊合金的等离子弧堆焊过程中引入直流横向磁场,采用洛氏硬度仪、磨损试验机对不同规范下试样的硬度、耐磨损性进行测试,采用OM及SEM对堆焊层进行显微组织分析,进而揭示外加磁场对堆焊层性能的作用机理.结果表明,施加磁场的堆焊层要比无磁场作用的堆焊层硬度高、耐磨性好;当堆焊电流为I=180 A,磁场电流为I_m=3 A时,堆焊层性能取得最佳值,其磨损量为0.4218 g,表面硬度HRC为72.1.外加磁场提高堆焊层性能的主要原因是电弧和熔池在磁场作用下运动状态发生改变,改善了堆焊层组织,使堆焊层的组织由柱状晶转化为等轴晶并细化晶粒,进而提高堆焊层的综合力学性能.     

振动式排种器上稻种有序排列运动分析

针对超级稻机械化育秧时每取秧面积上播1、2颗稻种的要求,研制了振动式稻种胚胎有序排列排种器.分析了稻种在振动板上的运动过程,在导向板段稻种进行有序排列,再在V型槽中形成均匀的种子流.根据稻种表面定向生长茸毛的特性,从理论上分析了稻种在运动过程中胚胎方向沿导向板转向一致的机理,并且经过高速录像验证.对稻种在振动板导向板段、V型槽中的运动进行动力学分析,分别建立了稻种在这两个阶段的运动特征值和运动速度的计算模型.试验结果表明,所设计的排种器能够使85％以上的稻种胚胎方向转向一致,播种速度能够与播种流水线的速度匹配.     

超声波体积流量计声场混合计算方法

超声波体积流量计测量空间内声场分布主要由换能器性能和实际工况下的流场共同决定. 在进行相关声场研究时,为了解决仅使用数值法难以对实际换能器重要计算参数进行准确建模的问题,提出联合测量边界条件和数值法的混合计算方法对声场进行求解. 计算模型的振动边界条件通过使用扫描式激光测振仪测量换能器表面离散点的振动速度并对其进行数据拟合来准确获取,实现以实验测量的数据对建模不确定性最大的换能器进行表征. 由计算流体动力学对超声体积流量计在不同体积流量下的流场进行求解,并将获取的流场导入数值计算模型中作为背景流场. 借助有限元软件COMSOL求解由非均匀流中线性声学式推导的控制式对声场进行预测. 比较预测和实验结果,对混合计算方法进行验证.     

3-D transient numerical simulation on the process of laser cladding by powder feeding

A 3-D transient mathematical model for laser cladding by powder feeding was developed to examine the macroscopic heat and momentum transport during the process, based on which a novel method for determining the configuration and thickness of cladding layer was presented. By using Lambert-Beer theorem and Mie‘s theory, the interaction between powder stream and laser beam was treated to evoke their subtle effects on heat transfer and fluid flow in laser molten pool. The numerical study was performed in a co-ordinate system moving with the laser at a constant scanning speed. A fixed grid enthalpy-porosity approach was used,which predicted the evolutionary development of the laser molten pool. The commercial software PHOENICS, to which several modules were appended, was used to accomplish the simulation. The results obtained by the simulation were coincident with those measured in experiment basically.