基于分层变线能量密度的多层电弧熔丝增材制造工艺仿真研究

摘要

航空用大型金属构件多存在局部复杂结构，且所用材料多为难变形材料。在使用传统方法成型时，存在制坯流程长、工装模具多、模具局部区域严重磨损导致使用寿命缩短等问题。为了降低生产成本，在锻造成形的基体上，使用电弧熔丝增材的方式完成形状复杂小区域的成形，可以显著降低生产成本。因此，进行减小电弧熔丝增材过程对基体的热影响、降低整体残余应力的相关研究，对于实现复杂形状大型航空构件高性能、低成本、高效率制造具有显著意义。　　增材过程对基体的热影响，增材完成后制件的残余应力大小都与增材过程中的工艺参数密切相关。为此，论文根据ABAQUS软件中电弧熔丝增材模拟过程的特点，开发多层电弧熔丝增材过程的有限元自动建模求解程序。基于分层变线能量密度策略，通过有限元模拟，研究工艺参数对电弧熔丝增材制造过程的影响规律，使用响应面法进行优化分析，得到最优工艺参数。论文主要研究内容与结论如下：　　①针对ABAQUS环境下的多层电弧熔丝增材过程，基于不同的分析方法，开发带有“生死单元”功能的有限元自动建模求解程序。编写多层电弧熔丝过程的前处理建模、热源载荷与路径控制文件参数化生成程序；设计并编写前处理程序的图形用户界面（GUI）；编写有限元自动建模求解程序在ABAQUS中的注册文件。　　②通过仿真结果对比，完成热-应力耦合分析法在多层电弧熔丝增材模拟过程的适用性分析。分析结果表明，当研究多层电弧熔丝增材过程整体温度场和焊道内部的残余应分布时，可以优先选用计算速度较快的顺序热-应力耦合分析法；当研究焊趾区域和基体内部残余应力分布时，为保证准确性，应该选择完全热-应力耦合分析法进行求解计算。　　③探究工艺参数对多层电弧熔丝增材过程温度与残余应力的影响规律。根据分层变线能量密度的策略，开展具有三层焊道的电弧熔丝增材过程的有限元模拟，获得了各个工艺参数对焊道和基体的温度与残余应力的影响规律。　　④多层电弧熔丝增材过程的工艺参数优化。使用Design-Expert8.0中的BBD进行试验设计，完成三因素三水平的多层电弧熔丝增材试验方案模拟。根据试验结果建立起电弧熔丝增材工艺参数对残余应力和温度的响应面函数，并获得最优的工艺参数组合，层间冷却时间tc为60s、线能量密度EL2为214.5J/mm、线能量密度EL3为252J/mm。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景与意义

1.2 金属材料增材制造技术概述

1.3 电弧熔丝增材制造技术研究现状

1.3.1 电弧熔丝增材制造技术简介

1.3.2 电弧熔丝增材制造国内外研究进展

1.4 论文的研究内容

2 多层电弧熔丝增材有限元自动建模求解程序开发

2.1 电弧熔丝增材有限元模拟特性分析

2.2 基于完全热-应力耦合分析法的自动建模求解技术

2.2.1 几何模型参数化设计及生成脚本开发

2.2.2 有限元模型生死单元划分

2.2.3 传热边界条件自动生成脚本开发

2.2.4 热源类型选择及载荷移动路径脚本开发

2.2.5 有限元模型网格自动划分

2.3 基于顺序热-应力耦合分析法的自动建模求解技术

2.4 电弧熔丝增材自动建模求解程序图形用户界面开发

2.5 电弧熔丝增材自动建模求解程序注册文件开发

2.6 小结

3 电弧熔丝增材过程热-应力耦合分析方法对比

3.1 多层 WAAM过程有限元分析模型的建立

3.1.1 几何模型的建立与网格划分

3.1.2 材料属性的定义

3.1.3 边界条件的设置

3.1.4 工艺及热源参数选取

3.2 完全与顺序-热应力耦合分析法模拟结果对比分析

3.2.1 温度场分布与对比分析

3.2.2 应力场分布与对比分析

3.3小结

4 工艺参数对多层电弧熔丝增材过程的影响规律分析

4.1 层间冷却时间对多层 WAAM过程影响规律分析

4.1.1 层间冷却时间对熔池尺寸及温度场的影响

4.1.2 层间冷却时间对应力场的影响

4.2 线能量密度对多层 WAAM过程影响规律分析

4.2.1模拟方案设计

4.2.2 线能量密度对熔池尺寸及温度场的影响

4.2.3 线能量密度对应力场的影响

4.3 小结

5 多层电弧熔丝增材过程工艺参数优化

5.1 响应面法试验

5.1.1 响应面法原理

5.1.2试验方案设计与评价指标

5.2 响应面函数拟合分析

①基体上表面中心点下方 1.5mm处的残余应力值S1

②基体上表面中心点上方 0.5mm处的残余应力值S2

③基体上表面中心点在增材第二条焊道过程中的最高温度值 T1

④基体上表面中心点在增材第三条焊道过程中的最高温度 T2

5.3 优化结果对比验证

5.4 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文

B. 学位论文数据集

致 谢