激光快速原型三维温度场仿真及其热应变计算

【摘要】：本文采用ANSYS有限元分析软件进行计算机编程，综合考虑激光快速原型制造过程中热流密度施加和材料高温热学性能参数与温度关系的非线性，对激光快速原型的制造过程进行了三维模拟仿真。应用CO_2气体激光器在45钢基体上进行了快速原型零件的制造；理论分析了激光加热的数学模型并求出了二维情况下的解析解；建立了激光快速原型的物理模型和有限元模型；并把仿真过程和结果与实验过程和结果进行了比较分析，同时，把仿真结果和激光加热二维情况下的解析解结果进行了比较。模拟分析与实验结果对比表明：所得激光快速原型温度场模拟结果与实验结果吻合良好，从而证明了该文数值模拟分析的可行性，为激光快速原型的工艺参数选择提供了可靠的参考依据；仿真结果与激光加热二维情况下的解析解结果对比表明：对于单道激光快速原型而言，在基体上最初几层的传热是三维的，在距离基体一定高度后，其传热是二维的。通过仿真结果与实验结果的比较，总结出了激光快速原型制造过程的关键工艺技术所在及其原型零件尺寸精度控制的可能性。 控制激光束的功率密度是激光快速原型的关键技术。在成型的开始，激光束的功率密度要相对高一些；成型到一定的高度后，激光束的功率密度要相对低一些，并且，在速度换向的位置，激光束的功率密度一定要降低。 控制原型的厚度也是快速原型的关键技术。对于薄壁原型而言，熔池的大小决定了原型的宽度，因此，控制熔池的大小是快速原型的另一关键技术。 显然，熔池的大小与激光束的功率密度是相互关联的。控制熔池的大小也需要控制激光束的功率密度，因此，可以通过控制激光束的功率密度来控制熔池的大小。这样既控制了原型的厚度，也控制了成型的条件。 随着原型层数的增加，其高度方向的应变值也逐渐增大。但最大值也不过几微应变，这不会影响原型零件的尺寸精度。它说明：原型的尺寸精度主要依赖于成型的工艺方法。