【摘 要】
:
高能束熔丝增材制造是大型复杂结构金属零件成形的关键技术,在航空航天重大装备制造中具有重要应用前景。目前工艺研发主要依赖繁复的试错试验,周期长,成本高。基于数值仿真辅助工艺研发已成为重要研究方向。然而,由于高能束熔丝增材制造过程存在材料本构快速切换、跨尺度的建模难题,数值模拟面临重大挑战,国内外没有可实现熔丝堆积成形零件过程仿真的数学模型出现。为此,在国家重点研发计划项目支持下,本文开展高能束熔丝数
【基金项目】
:
国家重点研发计划政府间科技合作项目:航空零件激光增材制造过程的数值模拟关键技术及软件
论文部分内容阅读
高能束熔丝增材制造是大型复杂结构金属零件成形的关键技术,在航空航天重大装备制造中具有重要应用前景。目前工艺研发主要依赖繁复的试错试验,周期长,成本高。基于数值仿真辅助工艺研发已成为重要研究方向。然而,由于高能束熔丝增材制造过程存在材料本构快速切换、跨尺度的建模难题,数值模拟面临重大挑战,国内外没有可实现熔丝堆积成形零件过程仿真的数学模型出现。为此,在国家重点研发计划项目支持下,本文开展高能束熔丝数学模型、数值计算方法与金属过渡等成形物理行为的研究工作,取得的结果与创新如下:(1)建立了可直接模拟从丝材熔化过渡、到熔池凝固组织生长、再到逐道堆积形成整个零件的宏-介-微观多尺度数学模型,提出了浸入式送丝与混合相的流固耦合处理方法,解决了目前研究难以计算熔丝堆积成形整个零件过程的问题。采用平衡力修正的连续界面力方法对反冲压力、表面张力、热毛细力等界面力学因素建模,采用路径追踪方法建立了激光、电子束的动态热源模型。所建立的数学模型,能对高能束熔丝增材制造过程中的能量吸收、丝材熔化、金属过渡、熔池毛细流动、晶粒生长及宏观堆积形貌演化等物理行为进行可视化仿真。(2)针对单个熔池到整个零件成形过程仿真跨尺度的难题,提出并实现了八叉树网格自适应与动态负载均衡控制相结合的高性能计算方法,研发可以直接仿真零件熔丝堆积成形全过程的软件i LWD。相较于静态网格技术,建立的自适应网格算法将零件堆积过程中仿真计算量缩小1~2个量级。建立了空间填充曲线方法,实现了多核心并行计算的负载均衡,负载均衡率大于99%,解决了并行计算中核心闲置等待的问题。基于仿真软件与算法,在超级计算机上实现了熔丝堆积完整航空叶片的温度、流动、堆积形貌等随时间演变行为的仿真。(3)可视化再现了熔丝增材中金属从丝材端部熔化、接触基板熔池、过渡到熔池中凝固堆积的完整过渡行为。液桥过渡中,表面张力与反冲压力驱使金属液快速流动,流速可达1.5 m/s。熔滴过渡中,表面张力使得金属液球化,热毛细力驱使金属液向远离激光的区域流动,重力促使熔滴长大后断裂下落。熔滴、液桥过渡模式下,熔池均存在振荡特性。液桥过渡下,熔池振荡频率为100 Hz,振幅较小。熔滴过渡下,存在大幅度振荡,比液桥过渡振荡幅度大2倍,由此导致了表面起伏不平的堆积体形貌。(4)定量揭示了金属过渡从熔滴向液桥转变的规律。发现随着送丝速度的增加,过渡形式逐渐从熔滴过渡向液桥转变。随着功率水平的增加,熔滴过渡向液桥过渡转变时对应的临界送丝速度增大。阐明能量不匹配是决定过渡模式从液桥向熔滴过渡转变的原因。揭示了细长液桥由于Plateau–Rayleigh不稳定性而断裂失稳的机制,并提出基于熔池流动性质调控成形稳定性的思路:通过调控金属液流动,使其流动特性满足We~O(10~0~10~1),Ca~O(10-2~10-3),Bo~O(10-2),Sl~(3.17-4.57),维持稳定液桥过渡,从而实现堆积体成形形貌精度的控制。(5)通过数值模拟,揭示了多层多道堆积过程中层间、道间的流动传热规律。多道堆积中存在普遍的侧偏向流动,其偏向速度值约为0.02 m/s,引起的Pe数在10~1量级,表明侧偏向对流换热是促进多道熔合的重要因素。金属液与侧边堆积体相润湿产生的表面张力效应,是导致侧偏向流动的原因。多层堆积中,由于堆积体不均匀形貌造成表面张力、热毛细力等力学作用不均,使得熔池稳定性变差。仿真揭示了丝材端部金属液与侧边堆积体搭接形成局部空隙造成未熔合缺陷的机制,该种未熔合形成时间约为40 ms,尺寸在0.2 mm-1 mm之间,可通过减小道间间隔促进侧边堆积体熔化来抑制未熔合缺陷产生。上述研究可为激光、电子束熔丝等增材制造过程研究提供数学模型与定量仿真工具。
其他文献
电子具有电荷和自旋两种自由度,利用电荷的热输运性质,可以实现热电之间的相互转换,在能源领域有重要的应用。利用自旋属性,可以实现磁存储,在自旋电子学中有重要的应用前景。热和自旋之间又存在关联,如自旋塞贝克效应和反常能斯特效应等。热输运和热自旋输运的研究是凝聚态物理中的一个重要方向,如何提高热电转换效率和自旋电子器件的性能是该领域要解决的关键问题。低维体系特别是原子层厚度的二维体系,其量子受限效应可以
图计算是大数据处理领域中一种重要的计算模式,用于解决社交网络分析、商品推荐、道路交通规划等领域中的重要问题。随着互联网、智能终端、社交媒体等技术的发展,图数据规模快速增长,从而给图的存储、访问和计算带来巨大的挑战。为应对这些挑战,系统领域研究者开发出许多图计算系统来管理、分析和挖掘大规模图数据。基于计算平台的不同,图计算系统通常分为三类:分布式图计算系统、共享内存图计算系统和外存模式图计算系统。其
相变墙体是一种利用相变材料实现建筑蓄能隔热的节能围护结构形式,是实现低能耗建筑、零能耗建筑、低碳建筑的重要措施之一。然而,对于炎热的夏季,相变材料白天吸收热量后往往无法在夜间进行有效的排热再生,相变墙体的节能效果受到限制。因此,为进一步提高相变墙体系统在供冷季的节能潜力,本文首次提出了一种自力式能量输运的套管封装相变墙体系统。该墙体系统将相变隔热技术、夜间辐射冷却技术以及重力热管技术相结合:白天利
随着中国能源高效化、清洁化、安全化发展进程的推进,煤炭燃烧产生的颗粒物、SOx、NOx等大气污染物的排放问题受到持续关注。颗粒物排放监测作为固定污染源颗粒物排放控制中至关重要的一环,其相关测量技术的精度亟需提高,以满足超低浓度颗粒物的排放监测需求。消光法作为应用最为广泛的颗粒物排放在线监测技术之一,具有非侵入式、响应迅速及结构简单等优势。然而,传统消光系统的灵敏度受其有效光程长度的严重限制,不适用
当今社会信息的快速获取、转换、传输和大容量存储,对元器件的多功能、低损耗提出了更高要求。跨领域、跨学科地设计新材料,在磁场、电场、光场等多物理场调控下,采用多层薄膜复合结构,通过多种物理效应协同作用,获得新型多功能器件,是满足信息技术发展需求的有效途径。在磁电复合薄膜结构中,可以通过压磁相和压电相界面处应力作用,获得材料铁磁序和铁电序耦合的磁电效应,可以应用于磁电双可调的微波滤波器、磁传感器、磁存
在固体激光器中,增益介质内部产生的废热是限制输出激光性能进一步提升的重要因素。从散热角度看,碟片结构具有高的表面积-体积比,有利于提高增益介质的冷却效果,削弱热透镜效应,保证轴向温度场的均匀分布。从生热机制看,采用1030nm激光作为泵浦源可将Yb:YAG激光器的量子亏损降低80%,在减小废热产生的同时,还能在增益介质内部产生反斯托克斯荧光制冷效应,进一步降低了热负载。因此,1030nm泵浦的Yb
前列腺癌(Prostate Cancer,PCa)是一种雄激素依赖性肿瘤,雄激素可刺激前列腺癌细胞生长和疾病进展。传统的前列腺癌内分泌治疗包括阻断睾丸雄激素的雄激素剥夺疗法(ADT)和阻断肾上腺雄激素的抗雄激素疗法。目前前列腺癌内分泌治疗主要是抑制雄激素/雄激素受体(AR)信号。然而,由于肿瘤内雄激素合成增加和AR变异,前列腺癌进展为去势抵抗性前列腺癌(Castration-Resistant P
目的:寻找治疗卵巢子宫内膜异位症(OE)的靶点和药物。设计:基于数据驱动假设和实验验证的基础研究。单位:妇产科、生殖医学中心患者/动物:大学附属教学医院共14例OE患者和7例健康供者。雌性C57/BL6小鼠15只,购自Charles River实验室动物科技有限公司(中国北京)。干预:OE病变取自患者,正常子宫内膜取自健康供者。对ITPR1基因敲除的人异位子宫内膜间质细胞(HESCs)进行RNA测
应用全控型电力电子器件实现高频开关变流是现代交流传动的主要方式。使用脉宽调制技术的逆变器是电机驱动系统中的核心装置,然而在电机驱动系统运行期间,由于逆变器中功率器件的高速开关,使得逆变器在运行期间会产生严重的电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)问题。电磁干扰会对系统产生一系列的负面影响。EMI滤波器是抑制系统电磁干扰的有效手段,多年来已有许多学者对EMI滤波
目的细胞中含氧活性小分子——氧气(O2)和活性氧(ROS),不仅参与细胞的物质和能量代谢,而且作为一类重要的信号分子,参与调控细胞增殖、分化、凋亡等一系列生命活动。而肿瘤细胞因快速增殖、异常代谢等原因,该类含氧活性小分子的含量也发生明显变化,形成了以O2含量不足、ROS水平升高等为特征的肿瘤微环境。这种独特的肿瘤微环境加速了肿瘤细胞的基因突变和转移,促进了肿瘤的发展及恶化。除此之外,这类含氧活性小