高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法技术

本发明专利技术针对目前预置式激光熔覆过程温度场数值模拟方法所存在的不足，公开了一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，它通过将几何模型分为气孔模型和冶金化模型及动态地改变接触热阻进行仿真，充分利用了ＡＮＳＹＳ软件强大的模拟功能，所述的结果精度高，真实性好，为激光熔覆研究提供了切实可行的手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热加工温度场的仿真方法，属于计算机技术在工程技术中的具体应用研究，尤其涉及一种预置式激光熔覆过程中的温度场仿真方法，具体地说是一种高精 度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法。
技术介绍
众所周知，激光熔覆是一种快速加热、快速冷却的工艺方法，利用红外测温仪和热 电偶都很难全面测量出激光熔覆过程的温度变化情况，因此利用有限元求解温度场的方法 已成为求解激光熔覆过程温度场的一种有效手段。由于压片存在着气孔以及压片与基材之 间存在着接触热阻，当压片中某区域发生熔化后，就会把原有的气孔剔除出去，气孔的剔除 影响着压片的物性参数和厚度，导致熔化前后压片的材料属性发生变化和厚度的减小；当 基材表面产生熔化后，压片与基材之间接触形式发生改变，即间隙接触转变成冶金化结合， 导致了接触热阻发生变化，因此气孔的剔除和压片与基材之间接触形式的改变必然影响着 温度场(压片预置式激光熔覆过程如图2)。在压片预置式温度场仿真中，还没有人在仿 真过程中动态地更改单元的材料属性、以及实现压片厚度变化和接触热阻变化对温度的影 响。在《基于ANSYS的压片预置式激光熔覆温度场仿真》(作者马浩，王珉等，2009， 38(4)《机械制造与自动化》-92-94)中，采用面积等效厚度法把整个压片的厚度折算出熔 化后的厚度，这与压片中未熔化部分的厚度不变相矛盾，还忽略了熔覆前后的材料属性变 化对其温度场的影响，压片的气孔率较大(文中为37. 5% )，熔覆前后的材料属性间差别明 显较大，忽略材料属性的变化将极大地影响仿真结果。因此，根据激光熔覆的特点专利技术一种 高精度的仿真方法是提高激光熔覆质量，改善复合材料特性的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的预置式激光熔覆温度场仿真精度不高，难以在工业实 际应用的问题，根据预置式激光熔覆中存在气孔和接触热阻变化较大的特点，专利技术一种高 精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法。本专利技术的技术方案是一种，它包括以下步骤(1)在ANSYS软件中建立预置层和基材的几何模型；(2)根据熔覆前后熔覆材料的物性参数和基材物性参数，定义材料属性；(3)根据定义的材料属性进行网格划分；(4)设置接触热阻； (5)热源加载及温度场求解；其特征是(1)在建立预置层的几何模型时分别建立预置层的冶金化几何模型和气孔几何模型，它们的几何形状都是长方体，并且冶金化几何模型在气孔几何模型的上面，它们的高度 关系满足以下条件H 冶+H气=H式中为冶金化几何模型的高度，其大小等于熔覆层的厚度；H气为气孔模型的高度； H为预置层的厚度；(2)在预置层和基材的接触表面上设置“间隙接触”和“冶金化结合接触”两个接 触对，两个接触对分别对应着两个接触热导率，接触热导率等于接触热阻的倒数，利用生死 单元技术使较大的接触热阻起作用，而较小的接触热阻不起作用，间隙接触和冶金化结合接触热阻计算公式如下IhfRt =---^r1 + Ar2/I2 +式中Rt为接触热阻(m2 · V /W)hf为接触表面的轮廓最大高度(m)λ ρ λ 2和λ 3分别为粉末片、基材和空气的热导率(W/m · °C )kp k2和k3是常数，Ic1和k2在0 0. 5之间，分别反映粉末片和基材的热导率，热 导率越大，其值就越小；对于间隙接触k3 = 0. 696，对于冶金结合k3 = 0。所述的根据熔覆前后熔覆材料的物性参数和基材物性参数定义的材料属性为对于预置层，定义三种材料属性，分别为材料属性1、2和3，每种材料属性包括比 热容、密度、热导率和表面换热系数；材料属性1对应着熔化前的预置层材料属性；材料属 性2对应着熔化后的预置层材料性；材料属性3为物性参数，并定义密度和比热容为0，表 面换热系数为0，热导率为正交类型，即只进行垂直方面的传热，没有横向的传热；即TXX = TYY = 0，TZZ = IXlO9 ；其中材料属性2为已知值，根据材料属性2的物性参数，材料属性1的物性参数数 值通过以下公式折算得到X1 l-φ 2=τΓφ式中=X1为熔化前预置层材料的物性参数，X2为预置层熔化后的物性参数，Φ是压片的气孔率；对于基材，只定义一种材料属性，材料属性编号为4，基材熔化前后对应同一种物 性参数。具体进行网格化划分时应根据选取的材料属性进行，并在选取材料属性1时利用 8节点的三维热分析单元S0LID70单元类型，用VMESH命令对冶金化模型和气孔模型进行网 格划分；选取定义的材料属性4对基材模型进行网格划分。所述的热源加载及温度场求解过程为一次加载热源，设定一个热源加载的时间，进行一次温度场求解；一次求解结束后，进行材料属性改变和接触热阻改变的判断，材料属性改变过程判断冶金化仿真模型中单元的节点是否全部达到预置层的熔点，若达到，则单元材料属性 发生改变，否则不发生改变；若与气孔仿真模型单元相连接的冶金化仿真模型单元已改变 材料属性，则气孔仿真模型单元也改变材料属性；接触热阻改变过程若预置层或基材的 接触表面上的原死单元中全部节点温度达到预置层或基材的熔点，原死单元改变成活单 元，以同样的条件把原活单元变成死单；。再次载热源，设定一个热源加载时间，进行温度场求解；以上热源加载，温度场求解，材料属性改变和接触热阻改变的判断，再次加载热源和进行温度场求解，这是一个多次循环过程，通过循环语句实现以上循环功能；将每个时刻求解出的温度场将存入结果文件中，可以根据时间来查看某时刻的温 度场。本专利技术的有益效果本专利技术提供了一种压片预置式激光熔覆温度场求解的数值模拟方法。在熔覆材料 几何模型建立时首次提出了单独建立冶金化模型和气孔模型，在冶金化仿真模型中体现熔 化前后的材料属性变化的影响，在气孔仿真模型中体现了厚度变化的影响。在以往的压片预置式激光熔覆的温度场求解中，通常把压片建立成一个几何模 型，从而忽略了熔化前后的压片厚度变化，本专利技术提出建立冶金化几何模型和气孔几何模 型的思想，通过更改有限元仿真过程的单元材料属性解决了熔化前后熔覆材料厚度的变化 对温度场影响的问题，因此本专利技术得到的温度场更加真实准确地反映粉末预置式激光熔覆 的温度变化情况，进而有助于分析激光熔覆过程的温度对组织和性能的影响，并且为讨论 激光熔覆的工艺参数对温度甚至组织和性能的影响提供了理论依据。附图说明图1是本专利技术的热源加载和求解循环过程图2是本专利技术的粉末压片激光熔覆过程示意3是本专利技术的熔覆样品中心部分的实物界面图4是本专利技术的有限元仿真模型图5是激光中心位于X = 15mm处的温度场图6是在X = 15截面上6个节点的温度曲线。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。一种，它包括以下步骤(1)根据待熔覆压片和基材的厚度，建立压片和基材的几何模型在建立压片几何模型时，分别建立熔覆材料的冶金化模型和气孔模型，并且冶金 化模型在气孔模型的上面，它们的高度关系如下H 冶+H气=H式中为冶金化模型的高度，是通过测量熔覆层厚度得到H为预置压片的厚度H气为气孔模型的高度由于基材在融化前后没有体积变化，只需建立一个基材几何模型，具体模型如图 3。(2)根据熔覆前后的熔覆材料物性参数和基材物性参数，定义材料属性利用MAT命令定义三种压片的材料属性，分别为材料属性1，2和3。材料属性1对应着熔化前的压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，它包括以下步骤：　　（１）在ＡＮＳＹＳ软件中建立预置层和基材的几何模型；　　（２）根据熔覆前后熔覆材料的物性参数和基材物性参数，定义材料属性；　　（３）根据定义的材料属性进行网格划分；　　（４）设置接触热阻；　　（５）热源加载及温度场求解；　　其特征是：　　（１）在建立预置层的几何模型时分别建立预置层的冶金化几何模型和气孔几何模型，它们的几何形状都是长方体，并且冶金化几何模型在气孔几何模型的上面，它们的高度关系满足以下条件：　　Ｈ↓［冶］＋Ｈ↓［气］＝Ｈ　　式中：Ｈ↓［冶］为冶金化几何模型的高度，其大小等于熔覆层的厚度；　　Ｈ↓［气］为气孔模型的高度；　　Ｈ为预置层的厚度；　　（２）在预置层和基材的接触表面上设置“间隙接触”和“冶金化结合接触”两个接触对，两个接触对分别对应着两个接触热导率，接触热导率等于接触热阻的倒数，利用生死单元技术使较大的接触热阻起作用，而较小的接触热阻不起作用，　　间隙接触和冶金化结合接触热阻计算公式如下：　　Ｒ↓［ｔ］＝２ｈ↓［ｆ］／（ｋ↓［１］λ↓［１］＋ｋ↓［２］λ↓［２］＋ｋ↓［３］λ↓［３］）　　式中：Ｒ↓［ｔ］为接触热阻（ｍ↑［２］.℃／Ｗ）　　ｈ↓［ｆ］为接触表面的轮廓最大高度（ｍ）　　λ↓［１］、λ↓［２］和λ↓［３］分别为粉末片、基材和空气的热导率（Ｗ／ｍ.℃）　　ｋ↓［１］、ｋ↓［２］和ｋ↓［３］是常数，ｋ↓［１］和ｋ↓［２］在０～０．５之间，分别反映粉末片和基材的热导率，热导率越大，ｋ↓［１］和ｋ↓［２］就越大；对于间隙接触ｋ↓［３］＝０．６９６，对于冶金结合ｋ↓［３］＝０。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，黎向锋，左敦稳，王宏宇，刘影，马浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]