船用铝合金电弧增材制造实验

为了掌握船用铝合金的电弧增材制造方法并优化工艺参数,完成了5083铝合金的单道次TIG电弧增材制造实验,分别研究了焊接电流、焊接速度和送丝速度对增材制造成型参数的影响规律。优化了增材制造的工艺参数,并采用优化后的工艺参数完成了15层的铝合金墙的增材制造实验。增材制造的铝合金墙的外形完整、均匀,金相分析结果表明结构内部没有明显的缺陷,拉伸实验结果表明铝合金墙的抗拉强度可达264. 04MPa,断裂延伸率为20. 09%。     

电弧增材熔池流动特性及稳定性数值模拟

为探究熔池热状态及流动特征对熔池尺寸及其稳定性的影响,本文利用FLUENT软件及二次开发建立电弧增材熔池三维数值模型。数值结果表明了电弧增材是一个快热急冷的熔池非平衡凝固过程,电弧力及马兰戈尼效应对熔池流动影响较大,且熔池内部流态以环流为主。综合分析了热输入及热耗散对熔池局域温度场及流场的影响,熔池热状态通过影响熔体粘度、各驱动力而改变熔池流态及流速,而熔池流动则影响熔池边界及热对流,因此二者的综合作用决定了熔池几何。而层间冷却能够改善沉积时熔池热耗散条件,减小热积累的影响,但会降低成形效率。     

激光电弧增材制造铝合金点阵杆件的精度与性能

采用Box-Benhnken响应面分析法分析了激光参数对激光电弧增材制造2319铝合金点阵杆件成型精度与性能的影响．试验影响因素为激光功率、激光脉冲频率和激光占空比,响应指标为杆件直径、杆件粗糙度和杆件抗拉强度．结果表明：激光功率的变化对杆件直径的影响最显著,激光使电弧能量密度更为集中,导致杆件直径变大;激光功率的变化对杆件粗糙度的影响最大,合适的激光功率能够使熔滴具有良好的铺展性,获得粗糙度较低的杆件;激光脉冲频率对杆件抗拉强度的影响最大,脉冲激光增大了熔滴内部流速,能够减小铝合金内部气孔含量,提高杆件抗拉强度．基于对三个响应指标的综合评定,得出激光作用下所获得的最优杆件的参数为：激光功率为353 W,脉冲频率为60 Hz,占空比为34%,并在此工艺下成功制备出铝合金点阵结构．     

冷金属转移法电弧填丝增材制造4043铝合金

Cold metal transfer plus pulse (C + P) arc was applied in the additive manufacturing of 4043 Al alloy parts. Parameters in the manufacturing of the parts were investigated. The properties and microstructure of the parts were also characterized. Experimental results showed that welding at a speed of 8 mm/s and a wire feeding speed of 4.0 m/min was suitable to manufacture thin-walled parts, and the reciprocating scanning method could be adopted to manufacture thick-walled parts. The thin-walled parts of the C + P mode had fewer pores than those of the cold metal transfer (CMT) mode. The thin- and thick-walled parts of the C + P mode showed maximum tensile strengths of 172 and 178 MPa, respectively. Hardness decreased at the interface and in the coarse dendrite and increased in the refined grain area.     

机械振动对电弧增材制造2319铝合金微观组织与机械性能的影响

为了解决电弧增材制造试样晶粒粗大、机械性能较差等问题,在电弧增材制造2319铝合金过程中施加机械振动,分析了机械振动频率和幅度对试样微观组织和机械性能的影响。结果显示：机械振动使熔池流动性提高,熔池更加铺展,层宽增加,层高降低;振动破碎了生长过程中的枝晶,使INZ晶粒尺寸减小14.49 μm,ITZ晶粒尺寸减小4.68 μm;枝晶间隙处的溶质元素含量降低,晶界析出相变得断续且细小,PLC效应间隔增加,材料延伸率显著提高;机械振动频率和机械振动幅度改变时纵向和横向延伸率分别提升了38.2%,15.7%和29.3%,52.5%,而强度变化并不显著。采用机械振动辅助电弧增材制造能够在不影响强度的前提下显著提高试样的塑性,可为机械振动在增材制造领域的广泛应用提供技术参考。     

不同基板热沉的铝合金电弧增材控形

从熔池热耗散条件入手,以基板尺寸构建熔池局域差异性传热特征,通过试验探索热沉条件(横向传热-基板宽度、纵向传热-基板厚度)对成形几何和成形形貌的影响规律,籍此从熔池外部这一较为简单的传热过程管理出发,探讨与热输入匹配的热耗散条件,实现电弧增材控形.实验结果表明,基板对沉积层形貌影响主要通过改变熔池周围热耗散实现.当热输入不足时,单层沉积会在起弧处形成垂露状、颈缩等缺陷.基板尺寸越大,热耗散能力越强,沉积层宽度越小,高度越高.基板对沉积层影响随着沉积高度增加逐渐减弱,不同热沉条件下沉积层尺寸最终趋于稳定.通过增大起弧电流和熄弧端悬停的策略来应对基板热沉条件变化,可避免虚焊、熔池流淌等缺陷,改善多层沉积几何成形质量.     

超声微锻造辅助激光熔丝增材制造数值模拟研究

激光熔丝增材制造技术能大大提高制造效率,但制件存在复杂的残余应力,导致制件内部缺陷多.为了解决这些问题,将超声微锻造与滚压相结合对制件表面进行高频率击打,使金属表层产生塑性变形,将原有的拉应力转变成压应力.以TC4为研究对象,利用ANSYS对激光熔丝过程进行热-结构耦合数值模拟,并施加超声滚压微锻造,分析微锻造前后应力场的变化情况.研究结果表明:激光熔丝熔覆层应力分布更加均匀,拉应力减小,甚至转化为压应力,有效地抑制制件内部缺陷的形成.     

电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展

焊接过程的数值模拟作为一种有效的计算手段,在焊接温度场及残余应力分布的评价中获得了广泛应用,而焊接热源模型的选择及模型参数的确定直接影响到计算和评价结果的准确性.本文通过对近年来常用的电弧焊接热源模型进行梳理,介绍了其研究进展,分析了不同热源模型的特点及适用性.高斯面热源模型和双椭球体热源模型作为基础热源模型,广泛应用于较小尺寸工件和规则轨迹的焊接过程数值模拟,且具有较高的计算精度;简化热源模型和温度替代型热源模型多用于大厚工件的多层多道焊接及复杂轨迹焊接过程的数值模拟,能够实现效率和精度的统一;多丝电弧焊接热源较为复杂,采用修正后的双椭球体叠加热源模型,计算结果能保证一定的精度;结合型热源模型对熔池形状的描述更灵活,在深熔电弧焊的数值模拟中具有优势.本文可为电弧焊接过程数值模拟的热源模型选择和模型参数确定提供有益参考.     

水火弯板数值模拟中热源模型参数研究

水火弯板热源热流密度模型的选取和定义,是水火弯板数值模拟中一个关键问题．采用高斯分布热流密度模型对水火弯板中的气体火焰热源展开了研究,利用实验和数值模拟相结合的方法,通过在一定范围内调整热流密度模型中的热源半径r和热效率η等参数．使数值计算的温度场分布趋近于实验测量的温度场分布,确定了水火弯板热源热流密度模型．在一定丙烯流量范围内,分析了热源半径和热效率的插值偏差对计算结果的影响,结果表明该模型能够满足水火弯板数值计算的精度要求．算例验证了该热源模型在有限元计算中的可靠性．     

电弧填丝增材制造高强度低合金钢的组织和力学性能

A high-building multi-directional pipe joint (HBMDPJ) was fabricated by wire and arc additive manufacturing using high-strength low-alloy (HSLA) steel. The microstructure characteristics and transformation were observed and analyzed. The results show that the forming part includes four regions. The solidification zone solidifies as typical columnar crystals from a molten pool. The complete austenitizing zone forms from the solidification zone heated to a temperature greater than 1100°C, and the typical columnar crystals in this zone are difficult to observe. The partial austenitizing zone forms from the completely austenite zone heated between Ac1 (austenite transition temperature) and 1100°C, which is mainly equiaxed grains. After several thermal cycles, the partial austenitizing zone transforms to the tempering zone, which consistes of fully equiaxed grains. From the solidification zone to the tempering zone, the average grain size decreases from 75 to 20 μm. The mechanical properties of HBMDPJ satisfies the requirement for the intended application.     

钛合金激光熔丝增材制造的温度场与应力场模拟

激光熔丝增材成形过程中复杂热循环和残余应力分布会使沉积层产生较大的变形甚至开裂.利用ABAQUS软件建立其完全热力耦合有限元模型,采用移动热源子程序模拟激光加载,生死单元技术模拟材料的添加.综合考虑了材料的熔化潜热、对流/辐射换热边界条件、随温度变化的材料非线性等问题,研究Ti-6Al-4V 钛合金单道多层薄壁件沉积过程中的热循环特性和残余应力分布.结果表明:沉积成形经历了快速加热、快速冷却的过程,随着层数的增加,热累积效应增强;沉积层整体呈拉应力状态,易产生裂纹等缺陷.     

复合板起皱失稳数值模拟模型的建立

复合板被广泛应用于汽车工业、航空航天、国防军工等各大领域,起皱失稳是复合板塑性成形过程中影响零件质量的主要问题之一,而目前能够准确复现复合板起皱形貌的数值模拟模型的建立方式尚不明晰。因此本文以方板对角拉伸试验(YBT)作为对比验证对象,在ABAQUS软件中采用特征值屈曲分析分别与动力显式和静力通用两种常规算法相结合的buckle-dynamic算法以及buckle-static算法,对选用不同建模方式和单元类型建立的模型,以起皱高度、厚向位移和应变云图等为评估依据,进行了起皱形貌模拟对比分析。结果表明,采用buckle-static算法对复合层建模方式建立的常规壳模型分析所得结果的综合性能最佳。若模拟工况复杂或计算不易收敛,分析方法也可选用buckle-dynamic算法。     

水下航行体模型空化流动的数值模拟

采用Fluent软件中的k-ε湍流模型对水下航行体模型水下运动的超空泡形成过程进行了数值模拟,分析了饱和蒸气压和航行深度与水下航行体空泡形态的关系,研究了航行深度和温度对航行体阻力系数和头部压力的影响.研究表明,航行体带空泡航行时,空泡形态随航行深度的增加而减小,阻力系数随航行深度的增加而增大,饱和蒸气压对空泡形态和阻力系数的影响不大.研究结果对水下航行体超空泡技术研究具有参考价值.     

壁流式过滤体捕集微细颗粒过程的数值模拟

压降是评价过滤体性能的重要指标。针对壁流式过滤体捕集微细颗粒物的过程,建立了描述通道内流场和颗粒层分布的一维非稳态模型。通过数值计算,研究了颗粒层滑移对颗粒层分布和过滤压降的影响,同时研究了过滤体结构参数与来流参数对过滤压降的影响。研究结果表明:颗粒层分布直接影响过滤压降,随着颗粒层滑移效应的加强,颗粒层由平坦转向直线递增型分布,过滤压降则先增后降;增加过滤体长度有助于降低过滤压降;增加过滤体孔目数,增加了过滤体工作初始阶段的压降,但可降低高颗粒沉积量时的过滤压降;此外,随来流流量和颗粒浓度的增加,过滤压降增加。     

压电智能驱动器力学模型的建立及数值模拟

基于PZT逆压电效应和结构动力学波动原理,建立粘贴式PZT驱动器与主体结构耦合简化力学模型及数学模型;考虑粘结层阻尼效应,建立PZT驱动方程并求解输出力表达式,确定驱动器力学与电学特性的对应关系;通过胶层材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析,拟合出胶层传递剪切力与胶层厚度关系曲线,证明了运用所建立的驱动模型能有效地模拟检测PZT的逆压电规律,可为利用压电智能驱动器控制工程结构检测提供理论依据.     

压电智能传感器力学模型的建立及数值模拟

以单片压电陶瓷(如锆钛酸铅,简称PZT)晶体、粘贴式和埋入式压电传感器为研究对象,从压电本构方程和结构动力学的振动原理出发,采用集总质量法推导出PZT传感器正压电效应的电荷表达式及等效刚度表达式,建立粘贴式和埋入式PZT传感器的简化力学模型,得到考虑多参数影响的电荷表达式.考虑黏结胶层阻尼吸收能量的作用,建立了胶层阻尼效应影响的传感模型,并求得压电传感器的电压表达式.数值模拟结果表明:在PZT传感模型中,利用压电方程和振动方程联合求解可以快速得到PZT的传感信号,而且PZT片的电压输出特性与作用力的大小及黏结胶层有关.通过测量和分析PZT传感器输出电信号峰值与频率的变化,并与数值分析结果进行对比,证明了运用所建立的传感模型能够有效地模拟检测PZT的正压电规律.     

气动声学数值模拟中无反射边界处理及声源模型的建立

运用特征分析和事后修正法对无反射边界进行了分析,将两种常用的无反射边界方法（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ无反射边界和Ｇｉｌｅｓ无反射边界）以统一的形式表达出来,得到这类边界的事后修正式．运用同一方法讨论了声能量从边界输入时声源的模化问题,给出单极源的边界声源数学模型．计算了单极源在均匀流中的声辐射．结果表明,文中方法计算准确,程序编制方便,适合于小振幅波动方程的计算．     

铝合金空心管坯电磁铸造中磁场分布的数值模拟

采用数值模拟的方法研究了铝合金空心管坯电磁铸造中磁场的分布规律·建立了包括水冷芯、外结晶器、铸锭及内/外两个线圈的二维轴对称有限元模型·通过求解磁矢势微分方程,确定了磁感应强度在空间的分布·计算结果表明:铸造过程中内外线圈相互作用,外线圈电流约为内线圈的一半时,磁感应强度分布比较均匀;线圈电流频率和相位是空心管坯电磁铸造中重要的工艺参数,适当增加频率,管的内表面侧磁感应强度明显增强;相位影响磁感应强度梯度的大小和方向·     

新型三元双向相变制冷模型的建立与数值模拟

目的结合峰谷电价、室外自然冷源和相变储能三种节能技术,研究开发一种新型的三元双向板壳式换热储能模型.方法选取癸酸和月桂酸的混合物作为室温相变材料,利用计算流体动力学(CFD)软件对制冷剂单独制冷、室外自然冷源单独制冷以及联合制冷三种过程进行了数值模拟,由模拟得到的制冷过程中的PCMs的液相分数及温度场分布图,分析了其换热机理.结果制冷过程进行4 h后,联合制冷液相分数由1变为0,制冷剂单独制冷液相分数由1变为0.7,室外自然冷源单独制冷液相分数由1变为0.2.结论联合制冷中,相变材料与冷冻水换热和相变材料与冷空气的换热互相耦合,与制冷剂单独制冷和室外自然冷源单独制冷相比,缩短了制冷时间,提高了能源利用率.