激光增材制造过程数值仿真技术综述

数值仿真是研究激光增材制造过程中各类物理现象、揭示零件缺陷形成机理、优化增材制造工艺参数的重要手段,该领域学者针对增材制造过程中的热分析、金属粉末颗粒性质分析、微观结构分析、质量缺陷成因分析等方面,开展了大量研究,提出了相应的数学模型和方法。激光增材制造过程的数值仿真是一个在空间和时间上均跨越多个尺度的复杂问题,微观、介观、宏观尺度下数值仿真所关注的对象和所使用的方法各不相同;多数研究聚焦于某一尺度下的过程仿真,另一部分研究则基于不同模型的数据关系建立模型间的耦合关系,实现热-相、热-力的综合分析。对现阶段激光增材制造数值仿真领域的主要技术进行了综述,在梳理数值仿真基本流程的基础上,对其中涉及的热源模型,粉末模型,力学模型以及微观结构模型进行了介绍,讨论了其特点和适用性;结合相关技术领域的发展,探讨了激光增材制造数值仿真技术的发展方向,旨在为本领域的技术研究与发展提供参考。     

KMnO4对空间探测用SiC反射镜加工性能影响规律

SiC陶瓷作为新一代具有优异综合性能的反射镜材料,已在空间相机反射镜中得到了广泛应用。在SiC光学加工后期,需要进行表面改性以降低表面粗糙度提升表面质量,这将直接影响SiC反射镜的加工精度和周期,因此,有必要对其优化改进加工工艺。本文引入KMnO₄添加剂,分析了参与反应的化学反应机理,强氧化性在SiC试样表面发生化学反应,降低了金刚石微粉对SiC反射镜的磨削去量,实现了降低表面粗糙度的目的。通过工艺实验得以验证,系列金刚石微粉抛光Φ200 mm口径常压烧结SiC反射镜,添加KMnO₄后表面粗糙度相应减小,W7磨料达到了单独使用W3磨料抛光表面粗糙度的效果,W0.1磨料抛光后表面粗糙度S_q达到1.628 nm（4D,10×）,优于抛光表面改性SiC超光滑表面质量。KMnO₄添加剂的引入实现了SiC反射镜高效、高精度光学加工的目的。     

船尾形状对旋成体马格努斯效应的影响

尖头旋成体和船尾形状是子弹、炮弹及火箭弹等抛射体上常用的布局形式。研究表明船尾布局具有减小底部阻力、增大射程的作用,但此时旋成体的马格努斯效应增大,对运动稳定性产生不利影响。为了解释这种流动现象,对三维旋转弹流场进行了数值模拟,对从亚声速到超声速下的旋成体马格努斯力和力矩进行了分析,重点对标准形状和船尾形状两种底部进行了比较。结果表明,相对于标准形状,在所有来流下船尾形状都起到了增大马格努斯效应的作用,并且马格努斯力和力矩与船尾角成正比。为了揭示其流动机理,选择代表性计算状态对两种布局马格努斯力矩系数分布、边界层厚度分布和边界层位移厚度分布进行了对比分析,结果表明,在亚跨声速下船尾马格努斯效应由绕拐角的加速流动引起,使当地压力系数幅值增大;在超声速下船尾马格努斯效应由船尾段的气流膨胀引起,使旋成体左右两侧的边界层位移厚度畸变增大。上述两种效应都使马格努斯力矩增加,对于亚声速流动来说,该效应发生在柱段与船尾段连接位置;对于超声速流动来说,该效应发生在连接点以后的船尾段上。当来流速度在声速点附近时,上述两种效应都可能发挥作用,使船尾形状的旋成体马格努斯效应大幅增加。     

粉末合金轮盘关键部位多圆弧转接降应力研究

为了验证某型航空发动机粉末合金涡轮盘低循环疲劳寿命,在旋转试验器上进行了涡轮转子的低循环疲劳寿命试验。在试验过程中有轮缘凸块和配重块断裂飞出,导致试验失败,得出该低循环疲劳试验故障的主要原因是裂纹起始部位的局部应力偏高。通过建立故障部位的单圆弧、双圆弧和3圆弧局部模型进行有限元计算,研究了转接圆角处的应力与转接圆角半径的关系。研究结果表明:采用3圆弧转接方法对粉末合金涡轮盘寿命考核部位进行改进设计是最佳方案,降低了轮盘考核部位应力,提高了轮盘寿命,并通过了试验验证。     

碳纤维织物/聚苯硫醚复合材料工艺研究

研究了碳纤维织物增强交联型聚苯硫醚复合材料的粉末成型工艺。以不同工艺条件成型复合材料层板,测试弯曲及动态力学性能,并对纤维-树脂渗透及纤维-基体界面粘结情况进行显微观察。确定了获得高性能复合材料较理想的工艺参数。     

单峰过载下的疲劳裂纹扩展厚度效应研究

进行了国产2024-T 351 铝合金在单峰过载条件下试样厚度对疲劳裂纹扩展性能影响的试验和分析研究。结果表明: 试样厚度对裂纹扩展迟滞有明显的影响; J. B. Chang 模型中的过载截止比不是材料常数, 它还和疲劳裂纹扩展的应力状态、载荷序列及试样厚度等因素有关。厚试样有较大的过载截止比, 用J. B. Chang 模型进行疲劳裂纹扩展寿命预测时应采用相应试样厚度的过载截止比。     

ZrO_2纳米级粉体烧结初期致密化过程

纳米粉体在烧结初期有２个明显不同的烧结动力学特征阶段：第１阶段粒子间界面扩散引起的纳米粒子重排的扩散蠕变是烧结致密化的主要机理,动力学关系表现为线收缩率与时间呈直线关系,纳米粉体的高烧结性就源于这个阶段;第２阶段的烧结动力学关系则可以用传统的晶界扩散传质致密化理论来解释     

镁/硝酸钠富燃料推进剂燃烧性能

研究了压强、镁粉含量、固体组分粒度以及氟化物等因素对镁/硝酸钠富燃料推进剂的燃速影响。研究结果表明,镁/硝酸钠富燃料推进剂的燃速随着压强增大而增大,压强增大到一定程度后,燃速下降;燃速随着镁粉粒度的减小而增加;增大硝酸钠颗粒度,燃速降低,燃烧波动性增加;当镁粉含量达到70%时,推进剂的燃速出现最大值。添加氟化物的推进剂燃速值有所降低,随压强变化燃烧规律也发生了改变。     

复杂异形截面薄壁环形件动模液压成形研究

 液压成形技术是成形薄壁零件的一种有效的解决方法。针对具有异形截面结构的某型发动机高温合金薄壁环形件,提出了液压成形结合动模轴向加载的复合成形方法,依据塑性力学方法和增量理论对成形过程进行了应力应变特征分析,并建立了有限元模型。基于有限元模拟和工艺试验,研究了筒坯成形区高度和型腔液压加载路径等关键工艺参数对零件成形结果的影响,探讨了成形过程中壁厚过度减薄、材料堆积"折叠"、形状不对称等失效形式,提出了优化的工艺参数。结果表明,提出的工艺方法可实现复杂异形截面薄壁环形件的整体精确成形,采用优化的筒坯成形区高度和液压加载路径可获得壁厚分布均匀、成形质量较好的零件。     

切深对椭圆超声振动切削机理的影响

以椭圆超声振动切削为研究对象,通过理论分析,有限元仿真和切削实验,研究了切深变量对其切削过程中机理的影响。指出在微小的切深条件下,刀尖钝圆影响不可忽略,其切削过程表现出微细切削特性。一方面,基于微细切削理论,建立了正交椭圆超声振动切削运动学和力学模型,将切削区分为后刀面回弹区、刀尖犁切区、刀尖剪切区和前刀面摩擦区四个区域,并依次对四个区域内不同切深条件下各个切削分力进行计算分析。另一方面,对切削过程进行有限元仿真和切削实验。其结果表明:当切深小于最小切削厚度时,切削过程主要为刀具后刀面的回弹挤压与摩擦和刀尖钝圆的犁切作用,不产生切屑,切深抗力大于主切削力;当切深大于最小切削厚度并逐渐增大时,刀尖剪切和切屑与前刀面的挤压与摩擦作用逐渐凸显并成为主要切削方式,此时主切削力逐渐超过切深抗力并迅速增大。