等离子熔积直接成形技术是属于快速制造(RM)的一种工艺,它是直接基于零件的三维CAD模型,在高功率的等离子热源作用下,按照分层的加工路径,粉末熔化堆积逐层生长,最终能够形成满密度的金属零件,通过在特定位置改变粉末成分的方法,可以加工梯度功能材料零件。目前该技术实用化需要解决的关键问题是选择合适的工艺参数,所以有必要借助有限元模拟方法,分析和掌握成形过程温度分布和变化规律,为工艺参数选择提供参考。本文基于三维传热学理论与弹塑性理论,结合等离子成形实际特点,建立了等离子熔积成形过程三维有限元模型,对其过程进行了数值模拟分析。有限元计算所采取的热源为高斯热源模型,并对其作了离散简化处理,选取对流换热作为计算边界条件类型,建立等离子熔积成形三维传热模型。基于线热应力理论,选取了先弹性分析中广泛使用的牛顿-拉布拉斯增量迭代法来计算热应力。根据等离子熔积成形特点,对熔积体进行六面体单元映射网格划分,基板进行四面体单元自由网格划分。最后,使用二次开发语言APDL编写参数化等离子熔积成形金属零件有限元分析程序。在参数化分析程序基础上,对等离子熔积成形翼子板模具和蒙皮模具支撑件过程进行数值模拟。结果表明,成形件平均温度不断升高,但温差随时间逐渐减小,温度分布更加均匀;残余应力分布主要是沿着熔积路径而分布,且在成形件头尾部及曲率最大的区域残余应力值较大。计算分析了不同工艺参数对成形件的影响,结果表明,优化等离子热源加载路径可以改善成形性,环形加载路径较交叉Z字路径可以改善热应力场均匀性,减小翘曲变形;预热相比于水冷能够减小应力峰值,改善应力集中现象。最后对成形件温度场进行了测量,计算结果与测量值基本吻合,证明了有限元模型的合理性。