（材料加工工程专业论文）热喷涂制备钢基模具型腔尺寸稳定性及应力变化分析.pdf

沈r 1l ：业人学硕十学位论文 摘要 由于热喷涂沉积过程是连续的，对涂层内部及界面的温度、应力难以实现实时测量， 故有必要建立传热模型来模拟涂层的温度场和应力场。运用传热学理论，对单个金属粒 子和涂层在基体表面沉积过程中的温度场和应力场进行了计算，建立了粒子扁平化的传 热模型。运用理论公式推导出金属粒子的初始温度等边界条件。 运用大型有限元模拟软件a n s y s 计算涂层的温度场和应力场，建立了合适的有限 元计算模型，采用微小厚度层逐层叠加法，使用问接耦合的方法，即先模拟涂层的温度 场，然后转换单元类型到结构分析单元，将温度场计算结果作为应力场计算时的载荷施 加，运用单元生死方法逐层激活后续单元参与计算，实现可移动边界以模拟实际的涂层 沉积过程。 研究得出了涂层和基体的温度场分布情况，喷涂刚完成，在涂层与界面处存在最大 温度梯度，先喷涂的底层涂层与基体界面保持一个相对稳定的温度，而上表面温度较高。 随着冷却时间的增加，涂层上下表面温度趋于一致。 涂层破坏的危险阶段是喷涂初期。涂层增厚，其临界弯曲应力越大，越不会发生失 稳。在第一个微小涂层沉积到基体表面后，其最大收缩应力远小于涂层临界翘曲的应力， 故不会发生涂层失稳状态。涂层最大应力主要分布于涂层与基体接触的下表面，其次是 涂层中心部位。中心部位的应力场呈环形向外波形扩展，但应力值是逐渐增大的。而在 涂层下表面特别是边缘地区，等效应力最大。应力在涂层边缘表现为斜向上指向中心的 拉应力，这是涂层产生与基体脱离、翘曲变形的主要原因。 涂层整体向中心收缩，收缩值从中心向边缘递增。喷涂涂层的收缩变形比较小。利 用3 c r l 3 不锈钢的马氏体相变膨胀补缩，计算出电弧喷涂模具型腔的尺寸偏差仅为o 0 1 8 ，与实测偏差值相一致。 关键词：电弧喷涂，涂层，有限元，温度场，应力场 热喷涂制备钢基模具的型腔尺寸稳定性及应力变化分析 a n a l y s i so fd i m e n s i o ns t a b i l i t ya b o u t t h ec a v i t ya n ds t r e s st r a n s f o r m a t i o n i nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r i n gs t e e l b a s e dm o l db yt h e r m a ls p r a y a b s t r a c t b e c a u s et h ep r o c e s so fs p r a yd e p o s i t i n gi ss u c c e s s i v e ，t h er e a lt i m em e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r ea n ds t r e s so ft h ec o a t i n g s i n t e r i o ra n di n t e r f a c ei sd i f f i c u l t s oi t i sn e c e s s a r yt o e s t a b l i s ht h et r a n s m i th e a tm o d e lt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fc o a t i n g i th a sc a l c u l a t e dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fo n em e t a lp a r t i c l eo rc o a t i n g si nt h e p r o c e s so fd e p o s i t i n go nt h em a t r i x ss u r f a c eb ya p p l y i n gt h et r a n s m i th e a tt h e o r y ；e s t a b l i s h e d t h et r a n s m i th e a tm o d e lo f t h et h i na n df i a tp a r t i c l e ；u s e dt h et h e o r ya n df o r m u l at od e d u c et h e m e t a lp a r t i c l e sb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，s u c ha si n i t i a lt e m p e r a t u r e ，e t c i th a sc a l c u l a t e dt h ec o a t i n g st e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l db yt h el a r g e s i z e df e m s o f t w a r ea n s y s ；e s t a b l i s h e dt h es u i t a b l ef e mc o u n t i n gm o d e l ；u s e dt h em e t h o do fm i c r o s i z el a y e rs u p e r i m p o s i n gl a y e rb yl a y e ra n di n d i r e c tc o u p l i n g ，i no t h e rw o r d s ，f i r s tt os i m u l a t e t h ec o a t i n g st e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e ns w i t c ht h ee l e m e n tt y p et os t r u c t u r a la n a l y s i se l e m e n t ， u s et h ec a l c u l a t i o nr e s u l td a t aa st h eb o u n d a r yl o a do f t h es t r e s sf i e l d sc a l c u l a t i o n i th a su s e d t h ee l e m e n tl i v eo rd e a t ht e c h n o l o g yt oa c t i v et h es u c c e e d i n ge l e m e n t ，r e a l i z e dt r a n s f e r a b l e b o u n d a r yt os i m u l a t et h er e a lc o a t i n g sd e p o s i t i n gp r o c e s s i th a so b t a i n e dt h ec o a t i n g sa n dm a t r i x st e m p e r a t u r ef i e l d t h er e s u l ts h o w st h a ti te x i s t m a x i m a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n to nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nc o a t i n ga n dm a t r i xw h e nt h es p r a y w a sj u s tf i n i s h e d t h ef o r m e rc o a t i n g sa n dt h em a t r i x si n t e r f a c ek e 印ar e l a t i v es t a b l e t e m p e r a t u r e ，b u tt h eu p p e rc o a t i n g s t e m p e r a t u r ei sh i g h e r w i t ht h ei n c r e a s i n gt i m eo fc o o l i n g ， t h et e m p e r a t u r eo f u p p e ra n dl o w e rc o a t i n g sp r o n et oc o n c o r d a n c e t h ed a n g e r o u ss t a g eo ft h ec o a t i n gb e i n gd e s t r o y e di st h ee a r l ys t a g eo fs p r a y i n g t h e c o a t i n g sc r i t i c a lb e n d i n gs t r e s si sr i s i n ga si t st h i c k n e s si n c r e a s i n g t h ed e s t a b i l i z a t i o n s 沈阳工业人学硕士学位论文 g e n e r a t i n gw i l lb em o r ea n d m o r ed i f f i c u l t a f t e rt h ef i r s tm i n u t ec o a t i n gw a sd e p o s i t e do nt h e s u r f a c eo fm a t r i x ，i t sm a x i m u ms h r i n k a g es t r e s sl e s st h a nt h ec r i t i c a lw a r p i n gs t r e s s ，s oi tw i l l n o tb ed e s t r o y e d t h em a x i m u ms t r e s so ft h ec o a t i n g sm a i n l yd i s t r i b u t ea ti t sl o w e rs i d e c o n t a c t i n gw i t hm a t r i x ，s e c o n d a r ya ti t s c e n t r a lp o s i t i o n t h es t r e s sf i e l do ft h ec o a t i n g s c e n t r a lp o s i t i o no u td i f f u s i o na sr o u n dw a v e s ，a n dt h es t r e s sv a l u eh a st h et r e n do fi n c r e m e n t a tt h ec o a t i n g sl o w e rs i d es u r f a c e ，s p e c i a la tt h eb r i m ，t h ey o nm i s s e ss t r e s si sm a x i m a l t h e d i r e c t i o no ft e n s i l es t r e s sa tt h ec o a t i n g sb r i mp o s i t i o ni so b l i q u eu pt ot h em o d e l sc e n t e r p o s i t i o n , a n dt h i si st h em a i nc a u s eo ft h ec o a t i n g ss e p a r a t i n gi t s e l ff r o mt h em a t r i xa n di t s w a r p i n g t h ew h o l ec o a t i n g ss h r i n k a g ed i r e c t st oc e n t e ra n dt h es h r i n k a g ev a l u ei si n c r e a s i n g f r o mc e n t e rt ob r i m t h ec o a t i n g ss h r i n k a g ei ss m a l l u t i l i z i n gt h em a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l s p h a s et r a n s i t i o na c t i o n , t h ec a l c u l a t e dr e s u l ts h o w st h a tt h ed i m e n s i o n a ld i s c r e p a n c yo fa r c s p r a y i n gm o l d sc a v i t yi so n l yo 0 18 a n di ti sa c c o r d a n c ew i t ht h ed i m e n s i o no fr e a lt i m e m e a s u r e m e u t k e yw o r d s ：a r cs p r a y ，c o a t i n g ，f e m ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：二塑l 日期：二2 车三坚旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：自囊 导师签名：立堕 日期：兰里圭兰塑兰目 沈阳 ：业人学硕士学位论文 l 结论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 有限元法的发展现状以及a n s y s 软件介绍 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法。它的 基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的 待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易 于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“装配”在一起 而形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组求解。“有限元法”这一名称是 1 9 6 0 年美国的c l o u g h o w 在一篇名为平面应力分析的“有限元法”论文中首先使用的。 4 0 多年来，有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力 平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘 弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。由 于计算机的飞速发展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。国际上大型的有限元 分析程序主要有a n s y s 、n a s t r a n 、a s k a 、a d i n a 、s a p 等。以a n s y s 为代表的 有限元分析软件具有以下优点：减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品 和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗和成本；在产品制造或工程施工前预 先发现潜在的问题；可以进行模拟实验分析；进行机械事故分析，查找事故原因i i j 。 a n s y s 公司由j o h ns w a n s o n 博士创立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾夕法尼亚州的 匹兹堡，a n s y s 有限元程序是该公司主要产品。a n s y s 软件是集结构、热、流体、 电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于核工业、铁道、石油 化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、 生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。 尽管a n s y s 程序功能强大，应用范围很广，但其友好的图形用户界面( g u i ) 及优 秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于m o t i f 标准的g u i 。可方便地访问 a n s y s 的多种控制功能和选项。 通过g u i 可以方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考资料。同 热喷涂制备钢基模具的型腔尺寸稳定性及席力变化分析 时该软件提供了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统，以协助有经验的用户 进行高级应用。a n s y s 共有7 个菜单窗口，具体包括： 主菜单该菜单由a n s y s 最主要的功能组成，为弹出式菜单结构，其组成基于 程序的操作顺序。 实用菜单该菜单包括了a n s y s 的实用功能，为下拉式菜单结构，可直接完成 一个程序功能或引出一个对话框。 输入窗口该窗口提供了键入a n s y s 命令的输入区域，同时，还可显示程序的 提小信息和浏览先前输入的命令。 图形窗口该窗口用于显示诸如模型、分析结果等图形。 输入窗口该窗口用于显示a n s y s 程序对已输入的命令和功能的响应信息。 工具栏该窗口允许用户将常用的命令或自己编写的过程置于其中。 对话框对话框是为了完成操作或设定参数而进行选取的窗口。 1 ) a n s y s 的用户界面 a n s y s 程序支持多种图形显示：x 窗口、o p e n g l 以及其他几种三维图形系统。 2 ) a n s y s 的处理器 a n s y s 按功能可分为若干个处理器：包括1 个前处理器、1 个求解器、2 个后处理 器、几个辅助处理器如优化处理器等。a n s y s 前处理器用于生成有限元模型，指定随 后求解中所需的选择项；a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求解运算： 后处理器用于获取并检查求解结果，以对模型做出评价。 3 ) a n s y s 的数据库 a n s y s 使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据及求解结果。模型数据通过 前处理器写入数据库；载荷和求解结果通过求解器写入数据库；后处理结果通过后处理 器写入数据库。如果需要，可为其他处理器所用。 4 ) a n s y s 的文件格式 a n s y s 的文件可用于将数据从程序的一部分传输到另一部分、存储数据库以及存 储程序输出，包括数据库文件、计算结果文件、图形文件等等。程序生成的文件可以是 沈目1 工业人学硕十学位论文 a s c i i 格式，或是二进制格式，缺省设置为外部格式的二进制文件，该格式允许在不同 硬件系统中移植。 5 ) a n s y s 程序的可用性 a n s y s 程序实现了异种异构平台的网络浮动，可运行于w i n d o w sx p 或w i n d o w s n t 下的p c 机、工作站及u n i x 操作系统下的各种工作站，直至巨型计算机。 ( 1 ) a n s y s 软件的主要技术特点 1 ) a n s y s 是目前唯一能够实现多物理场耦合分析的有限元分析软件 a n s y s 能够实现结构、温度场、流场、电磁场之间的耦合分析。对于很多工程问 题，这些物理场是相互影响、相互作用的，例如温差会引起热应力、电磁感应会产生热 等。a n s y s 提供直接和间接两种耦合方式，直接耦合使用带有多场自由度的耦合单元； 间接耦合是指各物理场拥有自己的“物理环境”。一个“物理环境”的分析结果可以作为其 它“物理环境”的载荷或约束。耦合可以是双向的。 2 ) a n s y s 是唯一实现前后处理、分析求解及多物理场统一数据库的分析软件 a n s y s 将模型信息( 单元、节点、材料等) 、边界信息( 载荷、约束等) 0 a 及后处理信 息( 求解结果等) 集成在一个数据库中；在使用a n s y s 进行耦合场分析时，各物理环境 也共用一个数据库；这样极大地方便了用户的使用。 3 ) 强大的结构非线性分析功能 a n s y s 在结构分析中的非线性功能包括几何非线性、材料非线性、状态非线性及 单元非线性。其中几何非线性包括大变形、大应变、应力刚化与旋转软化等。a n s y s 提供了1 0 0 余种包括橡胶、泡沫、岩石、土壤等特殊材料的非线性材料模式，提供2 0 余种接触类型，包括刚体对柔体、柔体对柔体接触、自接触、固联失效接触等。a n s y s 提供了1 0 0 多种单元类型，包括死活单元、集中质量单元、断裂单元、钢筋混凝土单元、 非线性阻尼弹簧单元等，可专门模拟各种特殊问题。 4 ) 独一无二的优化功能 a n s y s 的设计优化允许优化任何合理参数形状、应力、自然频率、温度、磁 势等等，可应用于任何类型的分析( 结构、热、流体、电磁) ，并且是唯一能够实现电磁 热喷涂制备钢基模具的犁腔尺寸稳定性及应力变化分析 场、流场以及耦合场优化的有限元分析软件。 5 ) 灵活、快速的求解器 a n s y s 提供多种求解器，以满足不同分析类型的需求。有稳定可靠的传统波前求 解器，也有高速、高精度的p c g 求解器，专门用于模态分析的b l o c kl a n c z o s 特征 值求解器，以及j c g 、i c c g 、稀疏矩阵求解器，c f d 专用的t d m a 、p c c r 、p c g 、p g m r 求解器等。 6 ) 丰富的网格划分工具，确保单元形态及求解精度 a n s y s 支持自由网格、映射网格、智能网格、自适应网格等多种网格划分方法， 可对网格的尺寸、形态等进行灵活的控制。a n s y s 还提供一些特殊的网格划分功能， 例如3 d 实体上由四边形面网格直接拖拉生成六面体网格、模拟边界层的层网格剖分工 具、六面体自动向四面体过渡的金字塔网格等。 7 ) 支持所有软、硬件平台，且所有平台的a n s y s 数据库统一、界面统一 a n s y s 软件与当今的计算机技术同步飞速发展，支持从p c 机的w i n 9 5 到n t ； u n i x 工作站( s c i ，h p ，s u n ，d e c ，i f 3 m 等) 以至c r a y 这样的巨型机，而且全部 支持并行计算，充分利用计算机的软、硬件资源。a n s y s 是目前唯一能够做到在所有 支持的软、硬件平台上界面统一、数据库统一的有限元分析软件。a n s y s 的网络浮动 最大程度地保护用户的软、硬件投资、也就是说，如果用户未来改善了硬件环境，只需 一根网线即可在新添的硬件平台上运行a n s y s 。 8 ) a n s y s 与c a d 及c a e 软件的接口 a n s y s 可提供与大多数c a d 软件的接口，例如p r o e 、c a d d s 、u g 、c a t i a 、 i - d e a s 、m d t 、s o l i d w o r k s 、m i c r o s t a t i o n 等。读取这些c a d 软件的图形文件或图形 转换文件。a n s y s 还可以直接集成在c a d d s 、p r o e 、u g 的c a d 环境中，真正作到 c a d c a e 一体化。a n s y s 公司还提供与其它分析软件的接口，读取这些软件的节点、 单元甚至材料特性与边界条件。 9 ) 开放的a n s y s a n s y s 提供了四种方式的二次丌发工具： 沈瑚| l ：业人学硕七学位论文 a p d l 是嵌入在a n s y s 内部的参数化设计语言、不仅能直接调用a n s y s 命令 和数学函数，还拥有循环、判断等高级语言功能； u i d l 是a n s y s 界面开发工具，利用它可以修改菜单增加对话框等； 外部命令，使用c + + 语言可为a n s y s 编写外部命令，例如与c a d 软件接口等； u p f 则将用户开发的f o r t r a n 或c 程序与a n s y s 连结到一起。 ( 2 ) a n s y s 软件的主要功能 a n s y s 软件的主要功能包括建立模型、结构分析、非线性分析、电磁分析、计算 流体力学分析、接触分析、热分析、结构优化。 1 ) 前处理 a n s y s 提供了一个强大的实体几何建模及网格划分工具，用户可以方便地构造二 维几何模型及有限元模型。 几何建模a n s y s 提供两种可交叉使用的实体建模方法：自顶向下及自底向上：采 用基于n u r b s 的三维实体描述法，几十种图素库可以模拟任意复杂的几何形状，强大 的布尔运算实现模型的精雕细刻，方便的拖拉、旋转、拷贝、缩放、蒙皮、倒角，可大 大缩短建模时间。辅助工具( 如选择、组元、拾取、工作平面、局部坐标系等) 为建模 提供了极大方便。 网格划分a n s y s 提供多种网格划分方法，可以实现对网格密度及形态的精确控制 拉伸网格划分，可以由二维单元直接拖拉成三维单元；智能自由网格划分可对复杂模型 直接划分，而且对单元的密度进行智能控制( 例如在应力集中处的网格自动加密等) ； 映射网格划分可以生成整齐的四边形或六面体网格，而且单元尺寸及形状可以得到最精 确的控制：自适应网格划分是指用户指定求解的精度，指导软件自动生成有限元网格， 执行分析，估计网格的离散误差，返回来重新自动定义网格大小进行分析和误差判定， 直到达到要求。a n s y s 还提供一些特殊的网格划分工具，以满足特殊要求。例如模拟 流体动边界层或电磁集肤效应的薄层网格划分、连接六面体与四面体的金字塔单元以及 网格的局部细化等功能。 a n s y s 提供的参数化设计分析语言，可以将几何模型及有限元模型参数化，进行 热喷涂制备钢基模具的型腔尺寸稳定性及麻力变化分析 产品的系列设计与分析。 2 ) 结构分析 线性静力分析用于分析惯性和阻尼对结构影响不显著的线性或准静态问题。其 中特征值求解功能可以进行线性屈曲分析。 结构非线性分析包括几何非线性( 大变形、大应变、应力刚化、旋转软化及非 线性屈曲等) 、材料非线性( 模拟1 0 0 多种非线性材料模式，包括橡胶、泡沫、岩石、 土壤等特殊材料) 、状态非线性( 刚对柔、柔对柔的接触问题等) 、单元非线性( a n s y s 提供1 0 0 多种单元类型，以满足不同非线性问题的需要) 。 结构动力学分析包括模态分析( 包括模态循环对称、预应力模态等) 、谐波响 应分析、瞬态动力学分析、谱分析、随机振动分析等。 线性及非线性屈曲分析 拓扑优化功能 断裂力学分析 复合材料分析 疲劳及寿命估算分析等 压电分析 3 ) 热分析 a n s y s 可以进行传异、对流、辐射的稳态及瞬态热分析。还可以分析带相变、接 触热阻、带内热源的问题等。 4 ) 高度非线性结构动力分析 a n s y s l s d y n a 模块是个通用显式非线性动力学分析模块，可以求解各种两维、 三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非 线性问题。可全自动接触分析，模拟任意拉格朗日欧拉流体，具有网格重划功能。提 供近百种非线性材料的本构模式。 5 ) 流体动力学分析 a n s y s f l o t r a n 基于质量守恒、动量守恒和能量守恒，求解流场速度、压力、 沈刚i 业人学硕十学位论文 温度分稚等参数。流动分析类型有层流、湍流：牛顿流体、非牛顿流体：不可压缩、可 压缩流体；自然对流、强制对流；亚音速、跨音速、超音速流动分析；多组份( 达6 组 份1 流：内流、外流：分布阻尼和风扇模型；热辐射边界条件、管流等。可以考虑流体 与固体的自然或强制对流，进行流体与固体的共扼热传递分析。提供两种迎风格式 ( m o n o t o n e 及p e t r o v g a l e r k i n ) 、六种遄流模型( 零方程模型、标准k - e 、r e n o r m a l i z e d g r o u p 模型、s h i l l sk - e 模型、g i r i m a j i 非线性模型，s h i l l z h u l u m l y 模型) 以及四种 求解器( p u m a 、p c c g 、p c g 、p g m r ) 。 6 ) 电磁场分析 a n s y s 电磁场分析包括静磁场分析、时变磁场及交流磁场分析、静电场及交流电 场分析、电路分析( 包括电阻、电容、电感分析) 、电路磁场耦合分析、电磁兼容分析、 高频电磁场分析、计算洛伦磁力和焦尔热用于耦合场分析等。 7 ) 声学分析 a n s y s 可以用于分析声波在容器内流体介质中传播、声波在固体介质中的传播以 及水下结构的动力分析等。 8 ) 压电分析 a n s y s 的压电分析用于分析两维或三维结构与交流、直流和随时间任意变化的电 流或载荷的响应。分析类型包括静态分析( 求解变形、电场、电磁通密度及应力分布等) 、 模态分析( 求解自然频率和模态形状) 、谐波响应分析、瞬态响应分析等。 9 ) 耦合场分析 a n s y s 的耦合场分析可以分为两类，直接耦合和间接耦合。直接耦合使用带有多 个场自由度的耦合单元。由于通过单元矩阵或载荷向量把耦合构造到控制方程中，因此 可一次求解多场自由度。间接耦合则使用“物理环境”的方法，每种“物理环境”属于不同 的物理场。通过将一个“物理环境”分析的结果作为另一个“物理环境”的载荷实现耦合。 间接藕合方式为用户提供了更自由的耦合方式。从而实现任意两场或多场的藕合分析。 1 0 ) 后处理及其他功能 a n s y s 提供了强大的后处理功能，使用户很方便地获得分析结果。其功能包括： 结果的彩色云图、等值线( 面) 、梯度、矢量、粒子流、切片、透明显示：变形及动画 热哦涂制：钢肛 ：i 川9 腔尺寸稳定性及麻力变化分析 显示；图形的b m p 、p s 、t i f f 、h p g i w m f 等格式的输出与转换；计算结果的排序、 检索、列表及数学运算：对于钢筋混凝匕单元可显示单元的钢筋、开裂情况以及压碎部 位；管、肘形弯管、梁、板、磁源等单，亡的实际形状和横截面显示等；其他功能还包括 优化功能、子结构、予模型、死活单元等。 ( 3 ) 应用领域及成功案例 a n s y s 作为世界知名的大型通用有限元分析软件，经过近3 0 年的不断完善及应用 推广，已经广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、交通、 国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、家电等各工业领域。 a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 国际质量体系认证的大型分析设计类软件，是美国 机械工程师协会( a s m e ) 及美国核安全 a ( n q a ) 及近2 0 种专业技术委员会认证的标准分 析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在全国压力容器行 业推广使用。此外，a n s y s 公司自建茳就推出支持教学与科研的大学版本，与代表世 界计算技术最高水平的高校及专业研究单位紧密合作，促使a n s y s 更快地吸取世界最 先进的计算方法和研究成果、进而造就了不断推陈出新、技术同新月异的有限元分析软 件【2 l 口 ( 4 ) a n s y s 热分析的方法理论及应用现状 1 ) a n s y s 热分析的方法理论 用有限元法计算温度场并没有什么特别之处。稳态温度场与弹性力学振动问题相 似。所不同的是场变量与物理参数。在弹性力学中，场变量是位移，是向量场，其物理 参数是刚度系数。而在热传导问题中，场变量是温度，是标量场，其物理参数是热传导 系数。从场论的角度讲，位移场、应力场也都属于场论的范畴。它们是矢量场。因此， 求解弹性力学问题所用的划分单元、求解节点阵列、求单元刚度矩阵并构成总刚度矩阵、 引入边界条件、求解方程组等一系列方法，都能用于求解温度场。 在a n s y s 所进行的结构力学分析中，主要使用的是能量方程式。通过r a y l e i g h r i t z 方法导出有限元分析的刚性矩阵。在r a y l e i g h r i t z 方法中使用能量方程式【3 】： f 1 e i ( v ) 2 叫k ( ) 沈阳r 业人学硕士学位论文 然而，并不是所有问题都适合用能量方程式来处理。对于纯量场问题，比如热分析 等问题， 由于微分方程式比能量方程式更容易获得，因此比较适合采用gc l e r ki n 方法直接 生成系统的刚性矩阵。方程式如下： ，= j ： ( f f 鲋“) 2 一l 乃如 ( 1 2 ) 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。并可进行稳态和瞬态、线 性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟 热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。 a n s y s 进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限单元( 包含若干节 点) ，然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程， 由此计算出各点从温度继而进一步求解出其他相关量。 总的来说，单元划分得越小，计算精度就越高。根据实际情况灵活地改变单元的尺 寸，就可以提高计算精度。 2 ) a n s y s 在热分析中的应用现状 随着a n s y s 有限元程序的不断改进和发展，版本的不断更新，其热分析功能越来 越强大。热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以 及职热有关的藕合场分析。a n s y s 公司己经正式发布了a n s y s 8 0 。该新版本在结构 非线性、多物理场方而有很多增强；新版本还包含一个a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a w e ) 的试用版，增强了热分析功能，辐射问题的计算速度大大增强，辐射视界系数 ( v i e wf a c t o r ) 可以二进制格式存储。 随着a n s y s 热分析功能的增强，计算机软硬件水平的提高应用a n s y s 进行热分 析研究的工作也越来越深入。目前应用较好的领域有石油化工、钢铁冶金、机械制造、 轻工业、土木工程等科学研究领域。 钢铁行业投资大，工艺复杂，进行有限元模拟分析尤为重要。孔祥伟等采用大型有 限元分析软件a n s y s 对四辊轧机工作辊的温度场进行了模拟1 4 1 。在模拟过程中，考虑 了轧辊和轧件间的瞬态热接触和对流边界，动态分析了热轧时工作辊的升温过程，预测 热喷涂制备钢基模具的型腔尺寸稳定性及应力变化分析 了工作辊的瞬态温度分布，并将所得的温度分布用于热凸度的近似计算中，其计算结果 与文献结果相吻合。赵永忠、朱启建、李谋渭等利用a n s y s 大型有限元分析软件对中 厚板轧后控冷过程进行了有限元模拟，得到了钢板在水冷条件下的温降曲线及瞬态温度 场分布，为制定合理的控冷工艺提供了有力的指导作用( 卯。a n s y s 在焊接应力、温度 场方而的应用也取得了一定的成果。杨庆祥，李艳丽，赵言辉，姚枚采用6 0 c r m n m o 钢为基体材料，用a s t 型x 射线应力分析仪对堆焊残余应力场进行了测定【6 1 。发现在 堆焊金属中心部位和熔合区附近的热影响区出现了两个残余拉应力峰值。用a n s y s 计 算软件，模拟了堆焊过程中温度场和残余应力场的分布，在模拟中考虑了马氏体相变、 杨氏模量及其它参数对计算结果的影响，并将计算值与残余应力场的测量值进行了比 较。结果表明，残余应力场的计算结果与实测结果吻合较好。 在电弧喷涂方面，大连理工大学的陈正江，徐文骥等运用a n s y s 8 0 对电弧喷涂涂 层进行有限元数值模拟【7 】，建立了电弧喷涂涂层的二维有限元模型，模拟涂层逐层叠加 的生长过程，对涂层进行了热和结构的耦合分析，在分析过程中同时考虑了热传导、热 对流和热辐射对涂层和基体综合作用的影响。得出了在不同基体预热温度下涂层的温度 场及其变形规律。但其缺点是未考虑到材料的热物理性能参数如比热容、热膨胀系数随 温度的变化，加载过程未考虑高速气流对涂层应力的影响。 在国外，a n s y s 在热分析的应用取得了很大的进展。与国内相比，以多场耦合的 应用较多。如a p a m o s o va n da ef e d o t o v 8 】应用a n s y s s 5 1 对在脆性壳中合成坯件 的高温热力学状态进行了模拟，有效的指导了具体工艺的实施。j d r e s c h e r l 9 1 ，yh m u | 1 0 1 等也进行了类似的研究。另外，有些科研工作者还把a n s y s 与其它的一些有限元软件 如d e f o r m 等结合起来，或者与一些高级编程语言如c + + 等配合使用，取长补短，大 大提高了研究的可靠性、通用性，扩展了a n s y s 的应用，推动了热分析研究的进步【1 1 , 1 2 j 。 1 1 2 电弧喷涂制作钢质模具的研究基础 ( 1 ) 电弧喷涂模具制造的思想及其发展 电弧喷涂的主要应用之一就是快速制作模具，电弧喷涂模具制造的思想应该起源于 6 0 年代的“近终喷射成型”( n e ts h a p es p r a yf o r m i n g ) ，其基本过程是：熔化的金属在高压 沈日i 丁业人学硕士学位论文 气体的作用下，吸入或被压入喷嘴，然后在高速气流的作用下，雾化成细小的金属液滴， 高速沉积在预制形状的收集器表面上，形成大块的沉积胚件，沉积材料可以是碳钢、不 锈钢、有色金属等。喷射过程中，通过特殊方法加入s i c 颗粒，可以制备铝基复合材料 1 3 1 。沉积速率高达4 5 1 0 0 0 k g h ，可代替铸造方法制造零件。英国的o s p r e y 公司、瑞典 的s a n d v i k 工厂、德国的p e a k 公司已经能够成功地制造钢管、轧辊等大型零件，最大 件质量达2 吨，最大外径尺寸超过4 0 0 r a m l l 4 l 。喷射成型的特点在于冷却速度快，一般 可达到1 0 3 k s 以上，获得的快凝组织成分均匀，不存在铸造工艺很难克服的偏析现象， 而且与传统的机加工过程相比，节省了材料和加工量，降低了成本。 k a g l o s s ”】等人研究发展了以钢基和镀铬钢基样模制作模具的工艺，探讨了涂层 及样模材料、样模温度、喷涂角度对涂层及涂层表面质量的影响。对于n i - c r - b s i 合金， 喷涂角度对开放性气孔影响最大，等离子喷涂模具表面的粗糙度取决于样模，可以有很 好的表面复制性能，已经有很多模具应用于玻璃、橡胶、塑料工业中。 早在六、七十年代，有人尝试用火焰金属喷涂法制作模具，但效果并不理想，喷涂 的金属液滴及火焰引起基体表面过热，以及脱模剂的失效，金属壳制作失败。这是火焰 喷涂工艺本身缺陷造成的，而且热效率低。而采用等离子喷涂法时，等离子焰流在喷嘴 处超过1 5 0 0 0 k ，在喷涂距离为1 0 c m 时，温度仍旧在2 0 0 0 k 以上，结果与火焰喷涂类 似。随着人们对这方面的深一步研究，不论是采用火焰喷涂还是等离子喷涂法，真正要 应用于模具制造，总存在很多问题，对基体的耐高温性能要求较高，仅局限于金属和陶 瓷等材料。于是，用于模具制造的热喷涂技术逐渐集中在电弧喷涂技术上。7 0 年代，美 国的t a f a 公司开始用电弧喷涂方法制作模具，陆续解决了喷涂过程中存在的诸多技术 问题。 作为一项较为传统的热喷涂方法，电弧喷涂技术自诞生以来一直用于船体、桥梁、 铁塔等钢结构的长效防腐处理和机械零部件、模具等制品的表面修复和表面改性等领 域，直接用于金属模具的制造是近年来国际上发展起来的项最新技术。近年来，随着 r p r t 技术的进步，r p r t 技术正朝着集成化的方向迅速发展，各种制品原型的制造更 加方便快捷，使得人们能够在原型的基础上在很短的时间内制造出产品的快速模具。电 热喷涂制备钢基模具的璎腔尺寸稳定性及应力变化分析 弧喷涂快速制模工艺的基本过程是将熔化的金属雾化，高速喷射沉积于基体上，所获制 件的形状与基体相对应，是一种集材料制备与成形于一体的制造方法【1 6 , 1 7 1 。8 0 年代后期， 这种制造方法逐渐成熟并被应用于模具制造，具体步骤如下：激光快速成形、机械加工 或其它方法先制造模型，再用等离子喷涂、电弧喷涂等方法在模型表面喷涂3 m m 1 0 m m 厚的金属壳，为提高金属壳的强度及避免金属壳变形，在金属壳背后用环氧树脂等材料 加固，取出模型即得到表面为金属的模具。热喷涂模具制造是一个精确的复制过程f 1 8 l ， 结合激光快速原型制造技术，速度快，成本低，可大幅度缩短产品开发与模具制造周期 1 9 , 2 0 。和传统钢模制造工艺相比，这种制模工艺的最大特点就是周期短，成本低，其成 本可低于传统钢模的2 0 ，周期可缩短6 0 以上剐，非常适合于小批量、多品种产品的 开发试制与生产，因而引起人们的高度重视并展开了积极而广泛的研究【2 2 】。 利用热喷涂方法制造模具是一项与快速原型技术相适应的快速模具技术，这种方法 成本低，制造周期短。且模具是通过逐层喷涂堆积而成，容易达到对形状和尺寸的控制， 很符合“逐层制造”的加工理念。但目前这项技术还仅限与制造低熔点合金模具，其产品 还仅能用作塑料模具。使其应用受到很大限制。如果要在压铸、冲压和铸造模具上应用， 在技术上还面临很大的困难。因这些模具往往在高温下或高冲击力下使用，对强度有很 高的要求，这是低熔点合金无法达到的。要扩展其应用范围，通常要采用钢基模具材料。 叠层实体制造( l o m ) 技术是当前最为成熟的快速原型制造( r p ) 技术之一，以其尺寸精度、 形状精度高，成本低廉等优点，被国内外广泛应用。r p 与r t 技术的结合，将成为现代 模具制造的强有力的手段，满足产品快速响应市场、降低新产