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钨极几何特征对电弧与熔池热力行为的影响

焊接学报 2023年第8期44卷 104-108,I0009页

作者：杨义成杜兵黄继华陈健徐富家黄瑞生中国机械科学研究总院集团北京100044 北京科技大学材料先进焊接与连接技术研究室北京100831 中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司哈尔滨150028

电弧热力行为是影响液态金属流动,调控焊接质量的关键要素.利用高速摄像与数值模拟相结合的研究方法,系统分析了空心钨极与实心两种电极特征对电弧热力分布特征的影响.结果表明,焊接电流为350 A时,实心钨极焊缝呈现出深而窄的焊缝成形特... 详细信息

电弧热力行为是影响液态金属流动,调控焊接质量的关键要素.利用高速摄像与数值模拟相结合的研究方法,系统分析了空心钨极与实心两种电极特征对电弧热力分布特征的影响.结果表明,焊接电流为350 A时,实心钨极焊缝呈现出深而窄的焊缝成形特征,空心钨极焊缝呈现出浅而宽的焊缝成形特征;距试板表面1 mm,实心钨极与空心钨极电弧沿水平方向的温度场和压力场均呈典型高斯分布特征,中心位置处空心钨极电弧的温度值和压力值分别为实心钨极的61.9%和23.5%;中轴线上实心钨极电弧压力分布呈U形特征,空心钨极电弧压力分布呈N形特征;构建的电弧与熔池强耦合分析模型与实际情况之间具有较好的一致性,可实现对电弧和熔池热力行为的分析与预测.

关键词：钨极几何特征电弧特性热力行为数值模拟

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铜板厚度对板坯结晶器热力行为的影响

炼钢 2012年第1期28卷 62-65页

作者：曹学欠陈杰林国海陈卫强中冶京诚工程技术有限公司炼钢工程技术所北京100176

基于某钢厂的铸机条件,建立了三维热弹塑性有限元模型,得到了不同厚度铜板的温度、变形量和等效应力应变的分布状态,指导了河北普阳钢铁有限公司结晶器的设计。结果表明:铜板越厚,热面温度越高,等效应力越小,变形量越大。铜板厚度每增加... 详细信息

基于某钢厂的铸机条件,建立了三维热弹塑性有限元模型,得到了不同厚度铜板的温度、变形量和等效应力应变的分布状态,指导了河北普阳钢铁有限公司结晶器的设计。结果表明:铜板越厚,热面温度越高,等效应力越小,变形量越大。铜板厚度每增加5 mm,热面最高温度将相应增加30℃左右;热面最大等效应力将减小7.5 MPa左右;热面最大变形量将相应增加0.05 mm左右;较薄的铜板可减少浇铸过程中铜板的热变形。

关键词：连铸结晶器热力行为数值模拟

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异形尖角磁场磁控电弧热力行为研究

异形尖角磁场磁控电弧热力行为研究

作者：裴晨旭湘潭大学

学位级别：硕士

在生活的各个领域如生产、运输等均用到焊接技术，但是传统的手工焊并不能满足如今快节奏生活的需求，因此如何提高效率成为人们最关心的点。Tungsten Inert-Gas Welding焊凭借其精确度高、稳定强的特点，在航天、汽车、建筑、制造业等... 详细信息

在生活的各个领域如生产、运输等均用到焊接技术，但是传统的手工焊并不能满足如今快节奏生活的需求，因此如何提高效率成为人们最关心的点。Tungsten Inert-Gas Welding焊凭借其精确度高、稳定强的特点，在航天、汽车、建筑、制造业等领域应用广泛，但TIG焊接依然存在电弧电流密度小、能量密度小、熔覆率低、焊接效率低、焊缝成形质量差等缺点。因此，本文提出了通过一种改变磁极的分布来改变磁场强度分布的方法，通过改变TIG焊电弧的形状,从而控制电弧热量的分布，进一步控制熔池的流动，最终达到改善焊缝质量、减少咬边等焊接缺陷的目的。　　本文为了分析不同磁极位置、不同磁场分布下电弧形态和焊缝质量的特征规律，基于COMSOL Multiphysics仿真软件提出了一种磁控TIG焊电弧的焊接方法。根据电磁感应原理建立了异形尖角磁场数值模型，分析了三种异形尖角磁场的磁感应强度分布情况，分析对比后选取其中一种类型作为后续仿真和实验的基础。随后本文基于磁流体力学建立了外加异形尖角磁场的数值模型，将异形尖角磁场的磁感应强度通过附加电磁场的方式加入电弧中，对不同异形尖角磁场下的电弧进行温度场、速度场、电流密度的仿真计算。得到了外加异形尖角磁场可以使电弧在XZ和YZ平面拉伸和压缩，在垂直焊缝的方向发生偏转，向焊接前进方向的侧后方拉伸，并从数值模拟层面上较为系统的分析了其产生的电磁力与电弧之间相互作用的规律。本文还研制优化了一种一体式磁场发生装置，该装置具有体积小、方便携带、结构紧凑、漏磁少、适用场所多等优点，并且可以通过该装置产生不同类型的异形尖角磁场。可以满足各种实验需求，操作简单，降低实验成本。　　本文将研发的磁场发生装置应用于磁控TIG焊接实验，以Q235R为实验焊接母材，氩气作为保护气体，通过合理的改变磁场强度和磁场频率进行实验。在高速摄影仪的拍摄下观察电弧形态的变化情况，并分析了不同磁场强度和磁场频率对焊缝成形的影响。实验取得预期效果，通过实验和仿真结果对比验证:在不同尖角磁场的磁场作用下，TIG焊电弧的形态发生偏转和压缩现象，焊接质量得到明显提高。再一次验证了施加异形尖角磁场调控电弧形态、搅拌熔池，改善焊缝成形方法的可行性。

关键词：非熔化极惰性气体保护焊异形尖角磁场磁控电弧热力行为

钛合金薄壁件激光选区熔化热力行为及组织性能研究

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钛合金薄壁件激光选区熔化热力行为及组织性能研究

作者：胡彪浙江理工大学

学位级别：硕士

钛合金薄壁件具有结构紧凑、材料利用率高等优异性能,其构件在航空航天、汽车船舶等领域的应用愈发广泛。但该类构件在成形过程中因刚度低而诱发的变形严重影响其服役性能,亟需探寻新的成形工艺并研究其在新工艺下的热力行为及组织性能... 详细信息

钛合金薄壁件具有结构紧凑、材料利用率高等优异性能,其构件在航空航天、汽车船舶等领域的应用愈发广泛。但该类构件在成形过程中因刚度低而诱发的变形严重影响其服役性能,亟需探寻新的成形工艺并研究其在新工艺下的热力行为及组织性能等关键基础问题。基于此,本课题以激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺为切入点,以控制残余应力、提高综合性能为主线,采用理论建模、模拟仿真和实验验证等手段,开展钛合金薄壁件在复杂热循环作用下的热力行为及组织性能研究。主要研究内容和结论如下:首先,建立了 Ti6Al4V薄壁件SLM成形过程热-结构间接耦合模型。为提高模型准确性,考虑了材料热物性参数和相变潜热,采用了梯度网格划分和生死单元技术。从残余应力角度对所建立模型进行了实验验证,对比发现预测模型结果与实验结果变化趋势吻合良好。其次,开展了 Ti6Al4V薄壁件SLM成形热力行为演化规律研究。从单层单道、单层多道和多层单道入手,系统研究了薄壁件在复杂热循环下的温度场和应力场分布及演化规律。结果表明,材料热导率和热积累是影响熔池特性的主要因素;由于受到激光加热区域的挤压,熔池下方微小区域内产生了压应力;在水平和垂直热循环作用下,已成形区域等效应力被释放。再次,揭示了工艺参数对Ti6Al4V薄壁件SLM成形热力行为影响规律。基于热-结构间接耦合模型,研究了激光功率、扫描速度和扫描间距对薄壁件SLM成形温度场和应力场的影响。结果表明,相比于激光功率和扫描速度,扫描间距对熔池特性的影响较小;不同工艺参数下薄壁件等效残余应力分布基本一致,最大等效残余应力随激光功率增加或扫描速度减小而增加。最后,探讨了工艺参数对Ti6Al4V薄壁件SLM成形组织性能影响,并优化了工艺参数。结果表明,激光能量密度的增加导致初生针状α'马氏体逐渐粗化,显微硬度随激光能量密度的增加呈先增加后减小再增加趋势。采用优化后的工艺参数,提高了薄壁件综合力学性能,抗拉强度和屈服强度分别提高了 6.1%和15.9%,延伸率下降了 3.7%,显微硬度下降了 1.4%。

关键词：激光选区熔化钛合金薄壁件热力行为组织性能

316L不锈钢SLM 3D打印过程中热力行为及组织性能研究

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316L不锈钢SLM 3D打印过程中热力行为及组织性能研究

作者：董小书武汉理工大学

学位级别：硕士

SLM技术是以金属粉末为材料,旨在快速成形具有特定功能、复杂结构的零件,顺应了目前大力倡导的快速制造模式,摈弃了复杂、繁琐的加工工艺,缩短了零件的成形周期,极大地降低了加工过程中的资源浪费和生产成本。但SLM成形过程中工艺调试不... 详细信息

SLM技术是以金属粉末为材料,旨在快速成形具有特定功能、复杂结构的零件,顺应了目前大力倡导的快速制造模式,摈弃了复杂、繁琐的加工工艺,缩短了零件的成形周期,极大地降低了加工过程中的资源浪费和生产成本。但SLM成形过程中工艺调试不当,会导致零件受热不均,出现球化、翘曲、孔隙、裂纹等缺陷,严重影响零件的组织性能,从而限制该技术的发展。基于此,本文首先利用ANSYS APDL实现了SLM成形过程数值模拟,探究了SLM 3D打印过程中的热力行为,最后研究了工艺参数、扫描策略对试样的力学性能与组织演化的影响机制和作用机理。主要内容如下:(1)SLM成形过程热行为研究表明:单道扫描时,熔池的最高温度会逐渐上升,相邻道成形时,相邻两道间存在加热现象;TGX温度梯度呈现先增大后减少的趋势,TGY曲线显示温度梯度出现两次改向;激光功率、扫描速度和搭接率会影响熔池最高温度以及相邻道热作用次数;内螺旋扫描策略下,模型内部温度累计达到最高,棋盘扫描策略有利于降低温度累计,使温度分布均匀。(2)SLM成形过程应力场研究表明:当热源远离时,已成形区域出现“冷缩”将受到高温热胀区的约束,从而产生拉应力,而随着热源的逐步靠近,该区域的温度回升会使拉应力得以释放,使拉应力逐渐向压应力演化;激光功率、扫描速度、搭接率以及扫描策略会影响热应力分布状态以及演化规律。不同成形工艺下,残余应力实验结果与模拟结果随成形工艺变化趋势基本一致,模拟结果能够大致反映等效残余应力随成形工艺而变化的规律。(3)组织性能研究表明:光栅扫描、45°层旋转扫描下,熔道呈条形状,熔池呈“鱼鳞”状特征,熔池内的柱状晶会垂直熔池或与熔池线成一定夹角择优生;棋盘扫描策略下,棋盘分界线处左侧为条状、右侧为鱼鳞状的情形;不同成形策略对元素种类、物相成分影响不大,仅仅影响含量;光栅扫描符合韧性断裂特征,棋盘扫描属于准解理断裂,45°层旋转扫描下试样的断裂形式属于韧性断裂中的“滑移分离机理”。45°层旋转扫描时,拉伸性能最好,抗拉强度在750MPa左右、屈服强度为650MPa左右,延伸率达到50%以上,90°层旋转角下试样致密度最佳达到98.6%,0°层旋转角下试样的显微硬度最高达到231.8HV。

关键词：选区激光熔化 316L 热力行为组织演化力学性能

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热障涂层微观形貌的热力行为研究及数值模拟

热障涂层微观形貌的热力行为研究及数值模拟

作者：刘冬冬西南交通大学

学位级别：硕士

热障涂层因其优异的性能,在航空航天,燃气化工等领域得到广泛的应用。热障涂层是通过一定的制备工艺将低热导率材料涂覆在热端部件上而形成的一种表面涂层,其高隔热、抗高温的性能提升了热端部件的工作温度。热障涂层服役环境非常复杂恶... 详细信息

热障涂层因其优异的性能,在航空航天,燃气化工等领域得到广泛的应用。热障涂层是通过一定的制备工艺将低热导率材料涂覆在热端部件上而形成的一种表面涂层,其高隔热、抗高温的性能提升了热端部件的工作温度。热障涂层服役环境非常复杂恶劣,不仅受外部高温高压载荷作用,其内部也因材料热物理性能不同而存在着较大的热应力。当前为了更高的燃气效率以及更大的发动机推重比,对热障涂层的工作温度要求进一步提高。原有的涂层材料与制备工艺难以满足对热障涂层工作温度要求的提升,探究新的材料与改善制备工艺已成为当前研究热点。制备工艺决定涂层的微观形貌,如何改善制备工艺则需研究涂层微观形貌对涂层热力行为的影响。通过分析具有更好隔热性能和力学性能的热障涂层的微观形貌,为改善涂层的制备工艺提供参考意见。热障涂层的隔热性能和力学性能与涂层的微观形貌有关:孔隙的存在影响着涂层的隔热性能与涂层内的应力分布;界面形貌变化则关系着涂层内不同相层的结合强度,进而影响着涂层的失效与使用寿命。本文通过理论分析结合有限元模拟的方法,建立随机孔隙模型分析了涂层中孔隙的存在对涂层隔热性能的影响,探究界面形貌与界面处应力分布的关系,结果发现:1.统一孔隙半径,孔隙率越大则涂层的隔热性能越好;统一孔隙率,一定程度的改变孔隙半径,孔隙半径越大则涂层的隔热性能越好。2.孔隙率与孔隙半径相同的情况下,一定范围内孔隙距离陶瓷层表面越远则涂层的隔热性能越好;孔隙与界面之间的距离变化则不影响涂层的隔热性。3.对比不同形貌的孔隙,发现孔隙对热流的阻碍作用不同,一定程度的孔隙细长化有利于提高涂层的隔热性能。4.具有一定间隔的单侧凸起界面模型相对于正弦形界面以及连续凸起的界面模型,界面凸起处应力集中有所减弱。5.孔隙距离界面越近,则对涂层界面的应力分布影响越严重;孔隙越大,对涂层界面处的应力影响越大。孔隙与涂层界面的距离变化对涂层的隔热性能没有影响,而孔隙对界面应力分布影响较大。在制备涂层时,应使孔隙远离涂层界面。

关键词：热障涂层孔隙形貌界面形貌热力行为

波纹夹芯防隔热/承载一体化结构的热力行为研究

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波纹夹芯防隔热/承载一体化结构的热力行为研究

作者：杭子轩中南大学

学位级别：硕士

论文以高超声速飞行器的大面积热防护问题为研究背景,依据典型的单层波纹夹芯防隔热/承载一体化结构(ITPS)设计了不同芯层排布方式的双层ITPS,通过有限元方法研究其处于再入热环境中涉及到的结构传热、承载、振动、随机响应和冲击等问题... 详细信息

论文以高超声速飞行器的大面积热防护问题为研究背景,依据典型的单层波纹夹芯防隔热/承载一体化结构(ITPS)设计了不同芯层排布方式的双层ITPS,通过有限元方法研究其处于再入热环境中涉及到的结构传热、承载、振动、随机响应和冲击等问题,探究热环境对其热力响应的影响规律,提出用以评价波纹夹芯ITPS结构效率的无量纲因子,并对其开展了轻量化设计。论文主要内容如下:首先对单层波纹夹芯ITPS开展了再入热环境下的准静态热力行为研究,探索几何参数及边界条件的变化对其传热及力学性能的影响规律。在单层ITPS的基础上设计了三种不同芯层排布方式的双层ITPS,分析热环境下三种方案的防隔热及承载性能,结果表明,采用正交排布的ITPS热应力响应数值最低。热屈曲分析中,同向排布的ITPS临界屈曲因子最高,且每种ITPS方案的屈曲部位均位于腹板处。针对ITPS在热环境下的自由振动特性开展了研究。考虑均匀及实际非均匀温度场下ITPS的自由振动,探究结构热应力和材料参数对其振动响应的影响规律。通过比较,正交排布的ITPS方案固有频率平均值最高,刚度特性最优。热应力会产生负的附加刚度,弹性模量降低引起材料非线性。在模态分析的基础上开展了随机振动计算,探讨热力耦合效应对ITPS随机动响应的影响规律。研究表明,每种方案的均方根(RMS)值及加速度功率谱密度(PSD)曲线不尽相同,在某阶固有频率附近发生了共振现象。温度载荷的变化影响了ITPS面板的各类RMS数值。针对ITPS的冲击力学响应问题,设置了四种铝弹冲击速度,施加温升以及温降两种工况的温度场,探索其处于不同热环境下的冲击力学响应规律。研究发现,热载荷改变了面板的冲击动能吸收特性,影响了铝弹与面板间的接触力数值。随后根据总塑性耗散能(ALLPD)曲线研究了冲击过程中的热力耦合效应,ITPS面板存储的塑性应变能致使温度升高,产生热应力。正交排布的ITPS方案具有最优的抗冲击性能。最后提出了用以评价波纹夹芯ITPS结构效率的无量纲因子,选用结构效率最高的正交排布ITPS开展单工况以及多工况加权的拓扑优化,获得了最终设计方案的各项热力性能,在减重9.59%的前提下,结构效率显著提升。图87幅,表17个,参考文献100篇。

关键词：波纹夹芯结构热防护系统隔热/承载一体化热力行为有限元

尺寸效应对液化天然气球阀热力行为的影响研究

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热力透平 2023年第2期52卷 110-114页

作者：翁武秀张子凡蔡振威王炜哲上海沪东造船阀门有限公司上海201913 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

低温球阀被广泛应用于液化天然气(LNG)系统的管路中。不同尺寸大小的球阀在低温下的变形及应力行为直接影响其密封性能,进一步对天然气的安全存储和运输产生影响。以3个不同通径尺寸下的LNG球阀为分析对象,通过有限元计算获取各个球阀... 详细信息

低温球阀被广泛应用于液化天然气(LNG)系统的管路中。不同尺寸大小的球阀在低温下的变形及应力行为直接影响其密封性能,进一步对天然气的安全存储和运输产生影响。以3个不同通径尺寸下的LNG球阀为分析对象,通过有限元计算获取各个球阀工作时的温度、位移和阀座应力情况,重点对比分析了尺寸大小对其热力行为的影响。结果表明:尺寸越大的球阀长颈区域散冷效果越好,但温度分布规律一致,收缩量与尺寸呈正相关;不同尺寸下阀座的收缩规律不同,而长颈和球体的收缩规律基本一致,内部应力集中区域有共性;但是由于几何尺寸和结构的影响,阀座区域的收缩规律性不强,需要针对具体问题进行分析。

关键词：液化天然气低温球阀结构尺寸热力行为

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防隔热/承载一体化波纹夹芯结构的热力行为

防隔热/承载一体化波纹夹芯结构的热力行为