1 山西大学自动化与软件学院，山西 太原 030006
2 西安航空职业技术学院航空高端制造工程研究中心，陕西 西安 710089
为改善熔覆层显微组织结构，强化42CrMo表面性能，基于42CrMo基材多道熔覆H13-TiC复合粉末，采用数值模拟与熔覆试验相结合的方式，探究不同熔覆功率下的温度对熔覆层显微组织和显微硬度的影响机理。基于材料性能的温变性构建激光熔覆模型，分析功率对熔覆层表面温度场以及残余应力场的影响机制。针对实验获得的H13-TiC复合熔覆层，采用扫描电镜分析其显微结构以及元素分布，研究TiC颗粒的形态分布与显微硬度之间的关系。结果表明：激光功率在2000 增大至2850 的过程中，第三条轨道熔覆状态下的温度峰值提升34.4%，2850 时高达3471.53 ℃；轨道表面的残余应力呈现中间大两头小的分布规律。熔覆层内部TiC细小颗粒的数量随温度升高而逐渐增加，功率为2850 时，TiC细小颗粒弥散较为均匀，TiC聚集区以外区域的显微硬度提升33%~50%。通过分析功率增大过程中轨道间温度场和残余应力场的变化规律，改善和提升了熔覆层显微组织结构和显微硬度，为激光熔覆技术在截齿材质42CrMo的应用方面提供了理论依据。
激光功率 温度场 残余应力场 熔覆层显微组织 熔覆层显微硬度 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2114001
1 昆明理工大学理学院, 云 南昆明 650504
2 北方夜视技术股份有限公司, 云南 昆明 650214
红外数字全息具有实时性强、可在复杂环境检测等优点; 爆破环境的粉尘类气溶胶对可见光有较强的吸收、散射效应, 红外波段处于“大气窗口”波长的红外光受气溶胶影响较小, 该优势与数字全息相结合, 本文提出一种可在高浓度粉尘环境下测量应力场的研究方法。将大小适中的光滑水泥板固定于三维施力架上作为研究对象, 采用红外数字全息方法, 改变环境粉尘浓度, 分别测量光滑水泥板在不同压力作用下的应力场变化, 对比全息图、相位差, 验证了该方法的可行性, 并设置可见光数字全息为对照实验。结果表明, 红外数字全息可在高浓度粉尘环境下测量出应力场的施力点、压力相对大小及应力影响区域, 实现实时、无损、全场检测, 而可见光数字全息在此环境下检测效果不佳甚至无法完成检测, 本文所提方法极大拓展了基于数字全息干涉计量应力检测手段的实用性。
红外数字全息 爆破环境 应力场 实时检测 infrared digital holography blasting environment stress field real-time detection
光学薄膜对激光系统中光场的调控起着十分重要的作用, 但同时也极易受到高能量密度脉冲激光辐照的累积效应而发生损伤, 这种累积效应往往引起薄膜内部温度升高, 从而发生熔化、破裂等损伤现象。设计了Ta2O5/SiO2双层增透膜(183.33 nm/249.3 nm), 从热动力学原理出发, 构建了激光诱导Ta2O5/SiO2双层薄膜的温度场和应力场模型, 利用MATLAB软件对双层薄膜的温度及应力大小进行了仿真计算。结果表明, 激光辐照Ta2O5/SiO2双层增透膜时, 膜层均发生热损伤且产生热应力, 热应力发生突变, 膜层发生热致应力损伤, 研究结果对探究激光诱导多层薄膜热致损伤机理具有重要指导意义。
光学薄膜 激光辐照 温度场 应力场 损伤 optical films laser irradiation temperature field stress field damage
1 中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800
2 中国科学院大学 北京 100049
熔盐换热器因其系统压力低、运行稳定以及经济性能好等特点在太阳能、核能和高温制氢等领域得到广泛应用。由于熔盐运行温度高，冷热流体温差大，导致熔盐换热器主要部件中产生的热应力不可忽略。本文采用流热固耦合方法分析U型管式换热器的温度场与应力场，首先运用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析获取了换热器主要热性能参数，并与实验结果进行对比，最大偏差约3.07%，验证了CFD流体仿真结果的准确性。在此基础上，对熔盐管壳式换热器运行工况下的传热过程进行了详细分析，获得换热器流场和温度场。最后，通过Ansys workbench有限元软件计算得到由流场、压力场和温度场耦合产生的应力场，并着重分析了与换热管及壳体相连接的管板的应力分布，给出了管板最高应力值及某些路径的应力变化规律。结果表明：应力较大的部位发生在管板的布管区与非布管的连接区域，位于近壳侧的换热管内壁处，距离管板下端面约2 mm的位置。可为熔盐换热器实际运行和结构设计提供重要参考。
熔盐 流热固耦合方法 应力场分析 U型管式换热器 Molten salt Fluid-thermal-solid coupling method Stress analysis U-tube heat exchanger
1 1.华东理工大学 机械与动力工程学院, 石化行业动力电池系统与安全重点实验室, 教育部承压系统与安全重点实验室,上海 200237
2 2.思克莱德大学 机械与航空工程系, 格拉斯哥 G11XJ
锂离子电池已广泛应用于动力和储能领域, 电池寿命是影响其进一步发展的关键因素。循环充放电过程中的电化学-力学多场耦合作用会导致正极材料发生机械损伤累积, 降低电极材料的结构稳定性并形成多尺度损伤, 从而缩短电池循环充放电寿命。本文通过总结团队在三元正极材料多尺度失效行为方面的研究成果, 系统介绍了不同尺度下实验与模拟相结合的电极材料损伤分析方法, 旨在为不同尺度下选取损伤分析方法提供参考。基于电化学循环实验表征、扩展有限元分析法(XFEM)、线性匹配法(LMM)等研究手段, 深入分析了电极材料在多尺度下的力学损伤机理。研究工作为电极材料的多尺度失效行为分析及结构改性提供了重要指导。
锂离子电池 正极 应力场 多尺度失效 寿命衰减 lithium-ion battery cathode stress field multi-scale failure life degradation
1 国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂, 浙江 丽水 323000
2 水利部杭州机械设计研究所, 浙江 杭州 310024
3 水利部产品质量标准研究所, 浙江 杭州 310024
水轮机转轮及叶片为水轮机的核心构件, 但在水轮机长时间运转过程中易出现不同程度的空蚀现象。激光增材再制造技术由于具有效率高、热输入低、结合性能好等特点, 可作为该类缺陷的有效修复手段。建立水轮机叶片激光增材再制造三维有限元模型, 计算激光增材再制造区域温度场和应力场的瞬态分布规律。结果表明, 激光增材再制造过程对水轮机叶片的温度、应力和应变影响主要集中在增材再制造区域附近。单道激光增材再制造热影响范围约为10 mm, 四道激光增材再制造热影响范围上升至25 mm。此过程所产生的变形极小, 在完成四道激光增材再制造后, 中心横截面所产生的最大变形为0.15 mm, 对水轮机叶片整体影响不大。
激光增材再制造 仿真 温度场 应力场 laser additive remanufacturing simulation temperature field stress field
1 湖北省输电线路工程技术研究中心(三峡大学), 湖北 宜昌443002
2 三峡大学电气与新能源学院, 湖北 宜昌 443002
3 中国电力科学研究院有限公司, 湖北 武汉 430074
脉冲激光清洗绝缘子时, 绝缘子表面污秽的分布特性不同, 其整体温度及应力场的分布也不相同。以瓷质绝缘子及其表面污秽为对象, 建立有限元模型, 对瓷质绝缘子表面不均匀分布和均匀分布污秽分别进行温度场与应力场分析, 并以激光试验验证其清洗效果。结果表明, 当能量密度为1.41 J/cm2, 扫描速度为1 000 mm/s时, 激光照射路径上不均匀污秽可被完全清除, 均匀分布污秽的清除率受厚度、焦距位置影响: 厚度大, 离焦距越近时, 温升越高, 所受拉应力越大, 污秽清除率越高; 厚度小, 远离激光焦距时, 污秽清除率低。因此, 清洗均匀分布污秽时, 应适时调节入射距离或激光功率。试验表明, 激光清洗积聚性不均匀污秽效率最高, 表面光滑洁净, 其余两种情况下表面均存在残余污秽。
激光清洗 污秽分布 典型污秽 温度场 应力场 laser cleaning filth distribution typical filth temperature field stress field
1 南昌航空大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330063
2 苏州大学机电学院, 江苏 苏州 215006
选区激光熔化(SLM)技术广泛应用于三维复杂零件的增材制造成形, 但激光的瞬间高温易对零件产生热应力, 影响加工质量。建立Ti6Al4V三维有限元模拟模型, 对SLM沉积成形过程进行了模拟研究, 探究双层多道沉积模型的层间停留时间对温度分布及热应力演变规律的影响。结果表明, 模拟熔池与试验结果吻合良好, 验证了模型准确性。第一层沉积后, 由表层的温度分布得出施加停留后冷却显著的效果, 停留时间的增加使得导热条件变好, 重熔作用增强。冷却后, X方向应力呈现“锯齿状”分布, 最大应力出现在搭接处, 随着层间停留时间从无停留增加到60 s, X方向应力逐渐减小, 最大降幅30%; Y方向应力呈现“凸”形及“凹”形的分布规律, 残余应力沿扫描方向呈“条带状”分布; Y方向Top路径最大应力先增大后减小, Middle及Bottom路径应力呈现减小的趋势。因此, 适当的层间停留时间可使热传导趋于稳定, 有效降低冷却后残余应力。
选区激光熔化 数值模拟 层间停留时间 应力场 selection laser melting numerical simulation interlayer idle time stress field
1 苏州大学机电工程学院,江苏 苏州 215021
2 苏州大学工程训练中心,江苏 苏州 215021
为了研究多阶模半导体激光增材制造工艺参数对熔覆层残余应力的影响,利用ANSYS软件构建了单道熔覆层模型,运用生死单元法加载多阶模半导体激光为热源。采用正交试验法展开了工艺参数对熔覆层宽度与高度方向应力场分布规律的影响研究。结果表明：熔覆层宽度方向上的应力场左右对称并在中心处有明显的“平台效应”,体现了多阶模激光热源热量分布均匀的特点；熔覆层高度方向上,应力值沿熔覆层高度方向逐渐增大,直到熔覆层顶部达到最大值；工艺参数对残余应力的影响次序为：送粉速率>扫描速度>激光功率；当采用优化工艺参数计算时,熔覆层高度及宽度上的最大应力为196.53 MPa和98.22 MPa,有效地降低了残余应力值,为多阶模半导体激光增材制造中的残余应力调控提供了参考。
激光增材制造 多阶模半导体激光 应力场 正交试验 数值模拟 laser additive manufacturing multi-mode semiconductor laser stress field orthogonal experiment numerical simulation
西南交通大学材料科学与工程学院, 材料先进技术教育部重点实验室, 四川 成都 610031
以316L不锈钢粉末为原料,采用激光熔覆技术以单向扫描和往复扫描两种方式在AISI304不锈钢表面进行多层多道熔覆,研究了熔覆层的组织以及熔覆层中的残余应力,并进行了有限元模拟。基于316L不锈钢粉末的激光熔覆层截面形貌,利用ABAQUS有限元软件建立复合热源模型,分别计算熔覆层的温度场及应力场。对熔覆层中的残余应力σx和σy进行测试,测试结果与模拟计算结果吻合得较好,验证了有限元模型的可靠性。温度场模拟结果表明,往复扫描路径下的热累积大于单向扫描路径下的热累积。结合温度场结果与微观组织分析了单向扫描路径下熔合线处的晶粒尺寸相比往复扫描路径下更均匀的机理。基于温度场结果分析了熔覆层中的应力分布规律以及往复扫描路径下的熔覆层应力大于单向扫描路径下的机理。
激光技术 激光熔覆 有限元仿真 316L不锈钢 温度场 应力场 中国激光
2021, 48(22): 2202002
