基于瞬态有限元分析的选择性激光熔化多层扫描路径优化

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选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)是一个复杂的过程,涉及到金属的固-液转换、热传导、热辐射等过程其成型零部件的翘曲变形一直是影响零件成型精度,制约SLM技术发展的主要原因。薄壁零件由于升温和散热较快,温度场分布非常不均匀,更容易发生翘曲变形。为保证SLM过程的正常进行并提高薄壁零件的成型精度,必须有效控制其温度场的分布。合理规划薄壁零件的扫描成型路径可以有效减小温度场的温度梯度和成型件的翘曲变形现象,因此,研究面向SLM的薄壁件多层扫描路径并进行优化十分必要。本文基于ANSYS软件中APDL语言对SLM加工过程中的简单薄壁零件进行了温度场、应力场和翘曲变形的瞬态有限元分析。探究了温度梯度、内应力和翘曲变形之间的联系,从整个成型过程分析了影响零件成型精度的机理,并提出了针对薄壁零件的多层最优扫描路径。具体工作如下:首先,采用ANSYS有限元分析软件建立了SLM过程中单层成型与多层成型试件的温度场数值模型,分析得出在多层成型过程中,后成型的层对已成型的层有再加热和应力释放的作用,并且随着加工的进行试件的热积累作用逐渐变大,因此在加工过程中应适当增加层间冷却时间。其次,结合热——结构耦合分析方法计算加工件的应力、应变特征。探究了单层与多层成型过程中试件应力场的变化和翘曲变形量的变化,从温度场和应力场变化的角度分析了引起试件发生翘曲变形的机理。最后,建立薄壁结构件模型,分析比较了不同扫描成型方式对其成型精度的影响。针对薄壁结构件对比了六种扫描方式多层成型的温度场和应力场,并比较了不同扫描成型方式下薄壁结构件翘曲变形量的大小,综合分析得出了薄壁结构件的多层成型最优扫描路径,对通过优化扫描路径来提高薄壁结构件的成型精度进行了进一步的探讨。
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