單道激光熔覆溫度場的模擬分析
Simulation and Analysis of Single-channel Laser Cladding Temperature Field

2萬字 49頁

摘 要 激光熔覆作為表面改性和快速成形的一種重要方法，得到越來越多的關(guān)注。由于激光熔覆熔池尺寸較小, 溫度極高, 包含了極為復(fù)雜的熱物理過程和微觀組織結(jié)構(gòu)生成等過程，還涉及潛熱作用，快速凝固過程等問題，用實(shí)驗(yàn)方法來測量熔池中液體的溫度分布是非常困難的。采用數(shù)值模擬的方法對不同工藝參數(shù)條件下的激光熔覆的溫度場的研究一直受到國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。
ANSYS是一種功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。因?yàn)锳NSYS可以高度逼近非線性瞬態(tài)熱分析問題，并且有處理相變問題的能力。通過模擬激光熔覆溫度場可以進(jìn)行參數(shù)控制和多因素比較，辨析不同條件下各個(gè)工藝參數(shù)的影響及其綜合作用效果，從而極大的節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和縮短實(shí)驗(yàn)研究的周期的數(shù)值模擬對本文采用ANSYS對熔覆過程的溫度場進(jìn)行仿真。主要做了以下工作：
(1)在充分了解激光熔覆加工物理過程的基礎(chǔ)上，建立了送粉式激光熔覆過程中能量重分配物理模型和數(shù)學(xué)模型。
(2)針對有限元分析軟件ANSYS，給出熔覆過程中邊界條件，物性參數(shù)，相變潛熱等的處理方法。
(3)使用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 APDL 實(shí)現(xiàn)溫度場的模擬，并采用ANSYS 生死單元技術(shù)模擬粉末落入熔池的過程。分析了用 ANSYS 模擬過程中的一些關(guān)鍵問題，比如模型建立和網(wǎng)格劃分。

關(guān)鍵詞：激光熔覆 溫度場 有限元 ANSYS 數(shù)值模擬



Simulation and Analysis of Single-channel Laser Cladding Temperature Field
ABSTRACT As an important surface modification method, laser cladding has drawn more and more attention in recent years. The melt pool of laser cladding has a very small size, high temperature, moreover, it contains a very complex physical processes and the microcosmic structure generation processes, it also contains the latent heat, rapid solidification processes, therefore, using experimental methods to measure the temperature distribution in the melt pool is very difficult. Researches on numerical simulation of the temperature fields under different parameters of of laser cladding have attracted many domestic and foreign experts and scholars.
ANSYS is a powerful finite element analysis software. It has been widely used in many fields. For the temperature field analysis, ANSYS can calculate nonlinear transient heat conduction problems with very high precision and can resolve the latent heat problems. In this study, ANSYS is used to deal with the temperature fields of laser cladding. The main work are as follows:
（1）Based on a great deal of theoretical studies, established the physical and mathematical models of laser cladding by powder injection.
（2）Referring to the software ANSYS, put out the boundary conditions during laser cladding process, material parameters and the method to deal with Latent heat problem.
（3）Achieve the simulation of temperature field of laser cladding by using the APDL language simulated the process of powder dropping into the melt pool. Analyzed a number of key issues during the simulation process, e.g. presenting and meshing the model, radiation on the exterior of the workpiece ,etc.

Keywords：Laser cladding Temperature field Finite element method ANSYS Numerical simulation

目錄
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 1
第一章 緒論 1
1.1引言 1
1.2激光熔覆概述 1
1.2.1 激光熔覆原理 2
1.2.2 激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn) 2
1.2.3 激光熔覆成形技術(shù)的應(yīng)用 3
1.2.4激光熔覆的分類方法 4
1.2.5 ANSYS軟件介紹 4
1.3 激光熔覆溫度場研究現(xiàn)狀 5
1.4 研究意義和主要內(nèi)容 6
第二章 有限元模型的建立 7
2.1 引言 7
2.2 幾何模型的建立 7
2.3 材料性能參數(shù) 8
2.4 單元類型的選擇 11
2.5 網(wǎng)格劃分 11
2.6 生死單元技術(shù) 13
2.7 本章小結(jié) 14
第三章 激光熔覆溫度場熱源模型 15
3.1 激光熔覆傳熱模型 15
3.1.1激光熔覆過程中的熱傳導(dǎo) 15
3.1.2激光熔覆過程中的對流 15
3.1.3激光熔覆過程中的輻射 16
3.2 熱傳導(dǎo)方程及熱邊界條件 17
3.2.1 熱傳導(dǎo)方程 17
3.2.2 熱邊界條件 17
3.3 激光熔覆熱源模型選取 18
3.4 本章小結(jié) 19
第四章 激光熔覆溫度場有限元分析 20
4.1基本方程的解法 20
4.2有限元法的基本思想 21
4.3有限元法分析問題的基本步驟 21
4.4 有限元求解溫度場相關(guān)理論 22
4.5 激光工藝參數(shù)對溫度場的影響 23
4.6送粉式單道激光熔覆溫度場有限元模擬結(jié)果分析 32
4.7 本章小結(jié) 34
第五章 總結(jié)與展望 35
5.1總結(jié) 35
5.2展望 36
致謝 37
參考文獻(xiàn) 38
數(shù)值模擬APDL程序附錄 41