基于离散元法的SLM刮刀倾角对粉末铺展行为的影响研究

刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响.基于离散元法建立铺粉数值模型,对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究.针对不同的刮刀倾角,提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估,获得刮刀倾角对粉层质量的影响规律.根据颗粒分布及运动特征将粉堆颗粒体系划分为底层区、斜坡区、刮刀影响区和内部区4个区域.针对各区域进行铺粉过程动力学机理的深入研究,包括颗粒运动轨迹和速度场、刮刀前方剪切带、颗粒间力链分布及演化等.研究发现:刮刀倾角小于0时,颗粒体系难以形成完整的环流运动,剪切带较小,流向沉积层的颗粒较少,颗粒间强力链较少,刮刀间隙前方易形成力拱导致颗粒堵塞,进而形成空斑使得沉积层的致密度和均匀性较低.刮刀倾角大于0时,颗粒体系的环流运动较充分,剪切带较大,流向沉积层的颗粒增多,随倾角增大强力链增多,刮刀压实作用增强,有利于沉积层致密度和均匀性的提高.本研究为优化工艺参数、提高粉层沉积质量提供了理论基础.

激光熔覆过程中单个颗粒温升的解析公式

提出了激光熔覆过程中单个粉末颗粒温升的解析公式,该公式考虑了粉末颗粒的固液相变及颗粒材料热物性参数随温度的变化。通过具体算例验证了考虑粉末颗粒固液相变的必要性以及发展公式的有效性。考虑和未考虑相变计算的单个颗粒的温度结果相差超过200℃。将应用发展公式预测结果与已有的仿真结果进行对比,结果表明:直径为85、75和55μm的颗粒,两个结果的相对误差分别为5.5%、5.3%和11.6%。研究结果为激光熔覆及增材过程中颗粒温升的精确计算提供了理论参考。

AA6061-T6板材搅拌摩擦焊温度场仿真

基于摩擦产热机制对搅拌摩擦焊接过程瞬态温度场进行了仿真研究,发展了基于线能量的摩擦系数预测-修正方案,给出了平轴肩-圆柱针、凹轴肩-圆柱针、平轴肩-圆台针三种搅拌头的摩擦产热公式.将上述方案和公式通过ABAQUS软件的DFLUX子程序实现,对AA6061-T6铝合金板材搅拌摩擦焊接过程温度场进行仿真.仿真结果显示:基于线能量的摩擦系数预测-修正方案能够有效地反映摩擦系数随温度升高而减小的变化趋势;焊接最高温度随着轴肩凹角的增大而增大,随着搅拌针锥角的增大而减小.

基于细观方向平均模型的颗粒材料宏观Cosserat连续体本构关系

提出了基于细观微-方向模型(Micro-Directional Model)的宏观Cosserat连续体本构关系。在细观尺度上考虑颗粒旋转自由度及接触力矩,微结构的影响通过接触分布函数体现。给出均质各向同性Cosserat连续体模型弹性常数的细观参数表达式,并建议了二维情况下内尺度参数的细观力学表达式。对颗粒材料宏观行为分别进行离散单元法数值模拟和基于本文所给表达式的理论预测,二者的一致性说明了所发展模型的有效性。

Y_(0.78)Yb_(0.2)Er_(0.02)F_3多孔纳米粒子的合成与上转换发光

以Y2O3,Yb2O3,Er2O3,NH4F等试剂为原料,采用水热法在180℃下保温10 h获得了NH4Y1.56Yb0.4Er0.04F7球形纳米粒子。所获得的纳米粒子在氮气保护下400℃灼烧2 h,制备出Y0.78Yb0.2Er0.02F3纳米粒子。利用Scherrer公式计算出NH4Y2F7∶Yb3+,Er3+和YF3∶Yb3+,Er3+的粒径分别为65.8和68.3 nm。TEM照片展示粒子近球形,其大小与Scherrer公式计算结果一致。TEM还揭示每个粒子上面应带有许多小孔。氮气吸附脱附实验进一步证实了粒子上存在小孔。在980 nm的红外激光激发下,NH4Y1.56Yb0.4Er0.04F7不发光,而Y0.78Yb0.2Er0.02F3发出明亮的绿光,表明所获得的Y0.78Yb0.2Er0.02F3具有强的上转换发光。

轨道车辆型材结构搅拌摩擦焊残余状态研究

目的研究轨道车辆中典型的箱型和V筋结构型材搅拌摩擦焊残余状态。方法采用顺序热力耦合方法进行了搅拌摩擦焊残余应力及变形的仿真研究。结果给出了上下壁板焊缝区域的残余应力大小及分布规律,阐述了两种结构的横向和纵向残余变形特征。对V筋结构型材,分析了不同筋板角度对焊接残余状态的影响。结论残余应力方面,主要表现为纵向残余应力,上下壁板两条焊缝的残余应力峰值相近,高应力分布区域宽度差别较大。残余变形方面,箱型结构呈马鞍形,V筋型材呈下凹形。V筋型材筋板夹角的变化对残余应力没有显著影响。筋板角度增大,纵向残余变形减小而横向残余变形增大。

基于代理模型的焊接构架纵梁优化设计

以城际动车组焊接构架纵梁为研究对象,以构架纵梁的总体积为目标函数,以应力和位移为约束对其进行了拓扑优化设计.在拓扑优化结构的基础上,基于等效结构应力法分析纵梁相关焊缝的疲劳累积损伤值,并以纵梁板厚为设计变量,考虑应力、位移和焊缝疲劳累积损伤约束,构建焊接构架纵梁的抗疲劳轻量化模型.为有效地求解该优化模型,引入基于Kriging代理模型的序贯近似优化方法,并结合多岛遗传优化算法进行求解.经过拓扑优化设计和抗疲劳尺寸优化设计,最终实现纵梁结构减重约20.6%,该工作为城际动车组转向架构架设计提供了参考.

一种基于平均场理论的格栅材料均匀化方法

将颗粒材料中发展的一种基于平均场理论的解析均匀化方法应用于二维周期格栅材料;依据尺度分离原理和统计均匀表征元概念构建了格栅材料的两尺度均匀化模型,包括细观杆件单元的本构关系、细观位移-宏观应变关系式以及应力的细观力学表达式;推导了两种二维周期格栅材料等效弹性参数包括弹性模量、泊松比和剪切弹性模量的细观力学表达式。结果表明:等边三角形结构等效为各向同性连续体时,弹性参数表达式与文献中其他方法所得结果一致;正方形结构均匀化为正交各向异性连续体时,主平面内弹性模量等于杆件单元轴向刚度,泊松比和剪切弹性模量分别由杆件单元的泊松比和剪切刚度决定,符合正方形格栅材料的力学特性;对于非主平面内的正方形本构矩阵,选取坐标轴与材料主轴夹角为45°的方向为例进行推导,本文方法与坐标变换方法所得结果一致。以上结果均验证了本文所发展方法的有效性。

搅拌摩擦焊瞬态温度场的数值模型

搅拌摩擦焊温度场数值模拟工作多侧重于产热模型及温度场分布规律等方面的研究,关于数值模型及其计算效率方面的报道相对较少。对AL6061-T6铝合金板材搅拌摩擦焊接过程瞬态温度场进行了模拟,对数值模型的相关问题进行了研究。在保证模拟结果与实验结果相符合的前提下,为提高计算效率,给出了合理的模型尺寸;分析了网格尺寸对温度场的影响;探讨了网格分区划分方案;分析了轴肩与搅拌针产热分配对温度场的影响。结果显示:模型宽度随板厚增加线性增大,而模型宽度与轴肩直径的比值随板厚的增加线性减小;有限元网格尺寸为1 mm时能有效地模拟温度场;焊缝中心处轴肩直径范围内的网格应当细化;合理的轴肩与搅拌针产热比例分别为75%和25%。

约束模型对搅拌摩擦焊残余状态仿真的影响研究

通过建立顺序热力耦合模型对AL6061-T6铝合金平板搅拌摩擦焊焊后残余应力与变形进行仿真,详细分析和讨论了夹具与垫板约束的有限元模型对残余状态的影响。结果显示:对于力学等效约束模型,底面全固定方式能够同时合理地再现残余应力和残余变形主要特征,而底面约束竖向自由度的方式只能较好地再现残余应力分布形式;等效约束模型中引入搅拌头下压载荷对结果无显著影响;对于建立夹具和垫板实体的约束模型,垫板约束方式的影响比夹具更为显著;硬接触模型比软接触模型能更好地再现残余应力分布特征。

颗粒材料平均场理论的多尺度方法:理论方面

对基于平均场理论的颗粒材料多尺度方法实施过程中的基本理论问题进行了探讨。公式推导表明,考虑微观颗粒间滚动矩相互作用时宏观需要采用Cosserat类连续体模型。基于平均场理论,给出了离散颗粒表征元等效连续介质应力、偶应力表达式。基于Hill-Mandel宏观均质化条件,给出了离散颗粒微结构波动场的边界条件,并且讨论了内部长度尺度参数的选择问题。该工作是颗粒材料多尺度计算的理论部分研究。

同轴送粉激光增材中扫描速度和基板预热对残余应力的影响

基于顺序热力耦合方法,以铸态K4169合金为基板,进行高温合金GH4169的单道单层激光增材制造的数值仿真,深入分析了激光扫描速度和基板预热对残余应力的影响。结果表明,降低扫描速度可明显降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向平均温度梯度,而对纵向平均温度梯度几乎没有影响,因此可得降低扫描速度对横向残余应力有比较明显的影响,但对纵向残余应力影响很小。提高基板预热温度可明显降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向和纵向平均温度梯度。考虑到工艺参数的改变本质上是通过温度场变化对残余应力产生影响,构建了峰值温度、平均温度梯度与横、纵向残余应力之间的函数关系。分析显示,横向残余应力对峰值温度的影响更为敏感,而纵向残余应力对平均温度梯度的影响更为敏感。

同轴送粉激光增材工艺对温度场及应力场的影响

激光增材制造过程中金属零件能否顺利成形以及成形后组织性能的优劣直接取决于工艺参数的选择。为研究激光工艺参数对增材构件温度场和应力场的影响,本文研究基于顺序热-力耦合有限元方法对在304L基板上进行同轴送粉激光增材GH4169合金粉末的单道单层工艺开展数值模拟研究。在实验验证数值模型有效性的基础上,深入分析激光功率和扫描速度对不同区域的温度场和残余应力的影响,并探讨应力场与温度场之间的关系。在沉积层边缘区域,提高激光功率和降低扫描速度都会明显降低沉积层和基板在降温过程中的温度梯度,且该温度梯度与该位置的横、纵向残余应力呈明显的正比关系。在沉积层内部,扫描速度的变化对横、纵向温度梯度和残余应力影响微小,提高激光功率使得该区域的纵向温度梯度明显降低,但横、纵向残余应力略有增大,熔池中心区域的残余应力和温度梯度不存在明显的正比关系。

基于载荷相互作用效应的Corten-Dolan改进模型

针对变幅载荷作用下载荷间的相互作用效应对结构疲劳寿命影响显著的特点,在考虑小载荷、损伤程度和应力状态的基础上引入相邻两级应力比的幂函数对关键参数d进行修正,以表征载荷间相互作用效应的非线性影响,从而建立了改进的Corten-Dolan累积损伤模型。同时,引入参数k建立了此类改进模型的统一表达式。基于三种常用材料的试验数据,应用全数据和部分数据建模方案对本文改进模型有效性及预测能力进行了验证。与既有模型相比,改进模型对已知数据的预测精度以及对未知数据的预测能力均较高,该模型能更好地表征加载次序以及载荷幅值变化等载荷相互作用效应对疲劳寿命的影响,为实际工程中结构的疲劳寿命预测提供了有效的预测技术。

基于下压位移模型的搅拌摩擦焊残余状态仿真

基于ABAQUS软件建立AL6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接过程的顺序热力耦合模型,发展了一个下压位移模型以实现搅拌头的下压量控制方式,对焊后构件的残余应力和残余变形进行了仿真分析.结果显示:所发展模型能够合理地反映焊缝区焊后形貌,再现残余应力及变形分布的基本规律;随着下压量的增加,残余应力增大而残余变形减小.

搅拌头几何对AZ91镁合金搅拌摩擦焊温度场及材料变形的影响

为探究搅拌头几何对搅拌摩擦焊接的影响,基于DEFORM-3D软件,应用全热力耦合有限元分析技术对AZ91镁合金板材搅拌摩擦焊接过程进行了仿真研究,并深入探讨了轴肩凹角和搅拌针锥角的独立变化对焊接过程温度场及材料变形的影响.结果表明,轴肩凹角和搅拌针锥角的变化对焊接过程的温度和材料变形有显著影响.随轴肩凹角增大,焊接温度和塑性应变呈非线性升高,且其变化敏度逐渐减小.凹角由0°增至3°,温度由503升至551℃,应变由107增至134 mm/mm;凹角由3°增至4.5°,温度由551升至556℃,应变由134增至138mm/mm.随搅拌针锥角增大,焊接温度和塑性应变均在达到最大值后下降.锥角2.5°时温度值最大,为508℃;2.5°~12.5°,温度由508降至495℃.锥角为5°时塑性应变值最大,为121 mm/mm,5°~12.5°应变由121降至115 mm/mm.综上建议,轴肩凹角和搅拌针锥角不宜过大或过小,分别取3°和5°时,焊接过程中温度和材料变形较佳.

同轴送粉激光增材制造中基板预热对残余应力的影响

基于热-力顺序耦合的方法,以蠕墨铸铁为基板,进行NiCoCrAlY合金的单道单层激光增材制造数值仿真分析,研究基板预热对同轴送粉激光增材制造过程中应力分布和大小的影响.结果表明:室温下,沉积层和基板结合处存在较大温度梯度,残余应力集中在沉积层与基板结合处,纵向应力和横向应力均表现为拉应力,纵向应力水平较大.随着预热温度的升高,温度场峰值升高,熔深熔宽均增加,冷却阶段温度梯度明显降低,残余应力水平降低.预热温度为400℃时,Mises应力峰值降低约17.6%,第一主应力峰值降低约9.2%,横向应力峰值降低约9.3%,纵向应力峰值降低约8.6%,远离沉积层区域的残余应力没有明显变化.

一类考虑载荷相互作用效应的Manson-Halford改进模型

在变幅载荷作用下,加载顺序以及不同载荷水平之间的相互作用对结构疲劳寿命有显著影响。MansonHalford非线性累积损伤模型较好地解释了加载顺序的影响,但未能考虑载荷间的相互作用效应。在MansonHalford模型及其既有改进模型基础上,引入前后两级载荷应力比的高次方项以体现载荷相互作用效应对结构损伤演化以及疲劳寿命预测的非线性影响。进一步构建了此类改进模型的统一的幂形式表达式,当幂指数取不同值时可得到原模型及各改进模型。根据3种常用材料的疲劳试验数据,对不同模型的疲劳寿命预测有效性和可行性进行对比分析,最后给出前后两级载荷应力比的e次方的建议。对比结果显示:与既有模型相比,本文所建议模型能够更好地体现载荷相互作用效应,有效地提高变幅载荷作用下疲劳寿命预测的精度。

基于材料韧性耗散的剩余寿命预测模型的对比分析及改进

将韧性耗散模型及其相关修正模型的公式推导过程进行对比,分析表明在变幅载荷作用下,相比于传统的损伤等效方法,考虑了载荷间相互作用效应的疲劳损伤等效法则更为合理.结果亦显示在前后两级加载的损伤等效过程中,应力比作为影响因素时,无论是放在系数上还是指数上,均可以有效地表征载荷间相互作用的影响.此外,在已有系数修正模型的基础上做了进一步改进,得到了更加简洁的寿命预测公式.通过典型材料试验数据的对比分析,验证了改进模型的有效性.

煤系针状焦的生产现状和发展前景

简述了煤系针状焦的3个主要生产工序,论述了我国煤系针状焦的发展现状,产能过多,生产量较低;市场需求旺盛,价格火爆;市场仍以油系针状焦为主导,油系针状焦的产能不断释放,煤系针状焦的新增产能释放不足;煤系针状焦供给不足的问题短期内难以得到解决,仍需大量进口;我国发展煤系针状焦有原料优势,但受到环保的严格限制,应增加投入,加大煤系针状焦的技术研发力度。