单道激光熔覆温度场的模拟分析.doc
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单道激光熔覆温度场的模拟分析,simulation and analysis of single-channel laser cladding temperature field2万字 49页摘 要 激光熔覆作为表面改性和快速成形的一种重要方法，得到越来越多的关注。由于激光熔覆熔池尺寸较小, 温度极高, 包含了极为复杂的...
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单道激光熔覆温度场的模拟分析
Simulation and Analysis of Single-channel Laser Cladding Temperature Field
2万字 49页
摘 要 激光熔覆作为表面改性和快速成形的一种重要方法，得到越来越多的关注。由于激光熔覆熔池尺寸较小, 温度极高, 包含了极为复杂的热物理过程和微观组织结构生成等过程，还涉及潜热作用，快速凝固过程等问题，用实验方法来测量熔池中液体的温度分布是非常困难的。采用数值模拟的方法对不同工艺参数条件下的激光熔覆的温度场的研究一直受到国内外专家学者的重视。
ANSYS是一种功能强大的有限元分析软件，在许多领域都有着广泛的应用。因为ANSYS可以高度逼近非线性瞬态热分析问题，并且有处理相变问题的能力。通过模拟激光熔覆温度场可以进行参数控制和多因素比较，辨析不同条件下各个工艺参数的影响及其综合作用效果，从而极大的节约实验费用和缩短实验研究的周期的数值模拟对本文采用ANSYS对熔覆过程的温度场进行仿真。主要做了以下工作：
(1)在充分了解激光熔覆加工物理过程的基础上，建立了送粉式激光熔覆过程中能量重分配物理模型和数学模型。
(2)针对有限元分析软件ANSYS，给出熔覆过程中边界条件，物性参数，相变潜热等的处理方法。
(3)使用参数化设计语言 APDL 实现温度场的模拟，并采用ANSYS 生死单元技术模拟粉末落入熔池的过程。分析了用 ANSYS 模拟过程中的一些关键问题，比如模型建立和网格划分。
关键词：激光熔覆 温度场 有限元 ANSYS 数值模拟
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
目录
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 1
第一章 绪论 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 激光熔覆技术的特点 2
1.2.3 激光熔覆成形技术的应用 3
1.2.4激光熔覆的分类方法 4
1.2.5 ANSYS软件介绍 4
1.3 激光熔覆温度场研究现状 5
1.4 研究意义和主要内容 6
第二章 有限元模型的建立 7
2.1 引言 7
2.2 几何模型的建立 7
2.3 材料性能参数 8
2.4 单元类型的选择 11
2.5 网格划分 11
2.6 生死单元技术 13
2.7 本章小结 14
第三章 激光熔覆温度场热源模型 15
3.1 激光熔覆传热模型 15
3.1.1激光熔覆过程中的热传导 15
3.1.2激光熔覆过程中的对流 15
3.1.3激光熔覆过程中的辐射 16
3.2 热传导方程及热边界条件 17
3.2.1 热传导方程 17
3.2.2 热边界条件 17
3.3 激光熔覆热源模型选取 18
3.4 本章小结 19
第四章 激光熔覆温度场有限元分析 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有限元法分析问题的基本步骤 21
4.4 有限元求解温度场相关理论 22
4.5 激光工艺参数对温度场的影响 23
4.6送粉式单道激光熔覆温度场有限元模拟结果分析 32
4.7 本章小结 34
第五章 总结与展望 35
5.1总结 35
5.2展望 36
致谢 37
参考文献 38
数值模拟APDL程序附录 41
Simulation and Analysis of Single-channel Laser Cladding Temperature Field
2万字 49页
摘 要 激光熔覆作为表面改性和快速成形的一种重要方法，得到越来越多的关注。由于激光熔覆熔池尺寸较小, 温度极高, 包含了极为复杂的热物理过程和微观组织结构生成等过程，还涉及潜热作用，快速凝固过程等问题，用实验方法来测量熔池中液体的温度分布是非常困难的。采用数值模拟的方法对不同工艺参数条件下的激光熔覆的温度场的研究一直受到国内外专家学者的重视。
ANSYS是一种功能强大的有限元分析软件，在许多领域都有着广泛的应用。因为ANSYS可以高度逼近非线性瞬态热分析问题，并且有处理相变问题的能力。通过模拟激光熔覆温度场可以进行参数控制和多因素比较，辨析不同条件下各个工艺参数的影响及其综合作用效果，从而极大的节约实验费用和缩短实验研究的周期的数值模拟对本文采用ANSYS对熔覆过程的温度场进行仿真。主要做了以下工作：
(1)在充分了解激光熔覆加工物理过程的基础上，建立了送粉式激光熔覆过程中能量重分配物理模型和数学模型。
(2)针对有限元分析软件ANSYS，给出熔覆过程中边界条件，物性参数，相变潜热等的处理方法。
(3)使用参数化设计语言 APDL 实现温度场的模拟，并采用ANSYS 生死单元技术模拟粉末落入熔池的过程。分析了用 ANSYS 模拟过程中的一些关键问题，比如模型建立和网格划分。
关键词：激光熔覆 温度场 有限元 ANSYS 数值模拟
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
目录
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 1
第一章 绪论 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 激光熔覆技术的特点 2
1.2.3 激光熔覆成形技术的应用 3
1.2.4激光熔覆的分类方法 4
1.2.5 ANSYS软件介绍 4
1.3 激光熔覆温度场研究现状 5
1.4 研究意义和主要内容 6
第二章 有限元模型的建立 7
2.1 引言 7
2.2 几何模型的建立 7
2.3 材料性能参数 8
2.4 单元类型的选择 11
2.5 网格划分 11
2.6 生死单元技术 13
2.7 本章小结 14
第三章 激光熔覆温度场热源模型 15
3.1 激光熔覆传热模型 15
3.1.1激光熔覆过程中的热传导 15
3.1.2激光熔覆过程中的对流 15
3.1.3激光熔覆过程中的辐射 16
3.2 热传导方程及热边界条件 17
3.2.1 热传导方程 17
3.2.2 热边界条件 17
3.3 激光熔覆热源模型选取 18
3.4 本章小结 19
第四章 激光熔覆温度场有限元分析 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有限元法分析问题的基本步骤 21
4.4 有限元求解温度场相关理论 22
4.5 激光工艺参数对温度场的影响 23
4.6送粉式单道激光熔覆温度场有限元模拟结果分析 32
4.7 本章小结 34
第五章 总结与展望 35
5.1总结 35
5.2展望 36
致谢 37
参考文献 38
数值模拟APDL程序附录 41
