扫描方式对中空环形激光熔覆层残余应力及基板变形的影响研究

目的揭示激光熔覆过程基材变形演变机理,同时研究不同扫描方式对中空环形激光熔覆层残余应力分布及基材变形的影响规律,以期减小熔覆层残余应力,控制基材形变量。方法利用有限元分析软件ANSYS APDL编程语言,首先建立单道模型,探究了熔覆过程基板变形演变机理;其次建立单层多道有限元模型,模拟了6种不同扫描方式对激光熔覆层残余应力分布及基材翘曲变形的影响。基于“光束中空、光内送粉”熔覆工艺,开展了基板翘曲变形量实验研究。结果数值模拟结果表明,基板在激光熔覆起始阶段产生了背向光源的弯曲变形,随着冷却的进行,开始转变为面向光源的翘曲变形。以减小熔覆层残余应力为评价指标,获得不同扫描方式的优越性排序为:沿长边往复扫描方式>沿短边往复扫描,外螺旋式扫描>分块式扫描>内螺旋式扫描>往复扫描。从降低基板翘曲变形程度来看,不同扫描方式的优越性排列为:沿长边往复扫描方式>沿短边往复扫描,分块式扫描>内螺旋式扫描>外螺旋式扫描>往复扫描。实验测量结果表明,基板变形程度的趋势与数值模拟结果一致,验证了数值模拟的正确性。不同扫描方式下,熔覆层残余应力水平与基材翘曲变形程度基本呈正相关趋势。结论采用分块扫描方式可以显著降低熔覆层残余应力分布,改善基材翘曲变形程度,为提高中空环形激光熔覆成形质量路径规划选择提供参考。

球状落体冲击条件下埋地管道力学响应行为

落物冲击易造成管道管体局部凹陷,一旦建设期埋地油气管道遭遇落物冲击,将对其后期安全运行产生严重影响。为了研究受冲击埋地管道的动力响应行为,以某埋深2 m(自管顶至地表)、Ø1016 mm×12.5 mm的管道为对象,基于显示动力学分析方法,建立了受球状落体冲击的埋地管道三维双重非线性动力响应分析模型,并探讨管道动力响应随不同影响因素的变化规律。研究结果表明:①随着冲击能增加,管道残余等效应力和凹陷变形深度均呈显著增加趋势,当冲击能为1525 kN·m时,管道最大凹陷深度可达名义管径的2.8%;②管道残余等效应力和凹陷变形随地基材料性能的改变而变化明显;③黏土适宜作埋地管道的地基材料,沙土最不适宜,砾石可以有效降低受冲击埋地管道的残余变形,但是对落物冲击正下方点管道的残余应力影响不可忽略。结论认为:①对于受冲击埋地管道,当管径与管壁厚度之比、埋深不变时,冲击能对管道残余等效应力和凹陷变形的影响最为明显,地基材料参数次之,管道钢材料参数则对其无影响;②在特殊地理区域,为有效提高管道的抗冲击能力,建议采用多种地基材料分层回填的方式。