金属激光立体成形热应力场参数化有限元模型_马良

第36卷 第12期中 国 激 光

V ol.36,No.122009年12月

CH INESE JOU RNAL OF LASERS

December,2009

文章编号:0258-7025(2009)12-3226-07

金属激光立体成形热应力场参数化有限元模型

马 良 黄卫东 于 君 王 波 杨海欧

(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072)

摘要 针对金属材料的激光立体成形(M LSF)工艺,利用大型有限元分析工具A nsy s 的二次开发语言A PDL ,开发了成形过程温度场、应力场的参数化有限元模型。该模型综合考虑了随温度变化的材料非线性、高斯激光能量分布、对流/辐射换热边界条件、相变以及自由变形约束等一系列问题。通过使用过渡网格划分技术,在提高计算精度的基础上,大幅减少了单元数目,从而实现了金属激光立体成形过程的整体建模。采用移动热源和单元生死技术,对激光成形过程热应力场进行了有效仿真,在准确计算温度场演化规律的基础上,揭示了塑性压缩区、塑性拉伸区、卸载区等热应力场产生的原因。使用该参数化模型便于研究金属激光立体成形工艺条件、不同材料等对成形过程热应力场的影响。

关键词 激光技术;金属激光立体成形;热应力场;有限元仿真

中图分类号 T N 249;T G665 文献标识码 A doi:10.3788/CJL 20093612.3226

Parametric Finite Eleme nt Model of Temperature/Stre ss Field Evolution

by Metal Laser Solid Forming

Ma Liang Huang Weidong Yu Jun Wang Bo Yang Haio u

(St at e Key La bor a tor y of Solidif ica t ion Pr ocessing ,Nor t hwest er n Poly techn ical Un iver sity ,

Xi c an,Shaanxi 710072,China )

Abstract Based on Ansys secondary development language APDL,a parametric temperature/stress finite element m odel for metal laser solid forming (MLSF)proc ess was developed.The m odel a llows for non -linear behavior of m ateria l properties,Gaussian distribution of laser energy,thermal convection and radiation boundary c ondition,phase change,free deformation constraints c ondition et a l.A full finite element model of ML SF process is established by transition mesh tec hnology.Accuracy of simula tion is improved and the element number is reduced under the m odel.The temperature/stress evolut ion of ML SF proc ess is simulated based on moving laser beam and element birth and death technology.On the basis of the temperature distribution is evolution,the reason of inducing the compress plastic stress,tensile plastic stress and unloading zones is analyzed.The influence of ML SF proc ess c onditions on temperature/stress can be studied by utilizing the parametric finite elem ent model in order to optimize the MLSF process.

Key wo rds la ser technique;metal laser solid forming;temperature/stress field;finite elem ent simulation

收稿日期:2009-01-08;收到修改稿日期:2009-04-12 基金项目:国家自然科学基金(50331010)资助项目。

作者简介:马 良(1978)),男,博士后,主要从事复杂金属零件的激光立体成形研究。E -mail:maliang@

1 引 言

金属激光立体成形(M LSF)技术是在快速原型技术和大功率激光熔覆技术蓬勃发展的基础上迅速发展起来的一项新的先进制造技术。该技术综合了激光技术、材料技术、计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM )技术、数控技术等先进制造技术,通过逐层熔化、堆积金属粉末,能够直接从CAD 数据生成三维(3D)实体零件,可以实现高性能复杂结

构致密金属零件的快速、无模具、近净成形。这项技

术尤其适用于大型复杂结构零件的整体制造,在航空航天等高技术领域具有广阔的发展前景[1]。

由于金属激光立体成形工艺自身能量密度很高(108~1010W/m 2)的特点,激光作用区域瞬时形成熔池,激光移去后熔池迅速凝固收缩,成形过程会出现剧烈的膨胀和收缩现象,从而导致成形件变形、开裂。上述现象已经成为制约金属激光立体成形工艺