激光直接金屬沉積石墨-銅功能梯度復(fù)合材料應(yīng)力場數(shù)值模擬.pdf

1、石墨-銅功能梯度復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和自潤滑性能，在軌道交通、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文采用 ANSYS軟件對激光直接金屬沉積石墨-銅功能梯度復(fù)合材料過程的溫度場和應(yīng)力場進行了研究。
　　借助于 APDL語言的二次開發(fā)以及生死單元技術(shù)對多層單道的激光直接金屬沉積過程進行了仿真計算，并且采用間接耦合的方式對溫度場進行了熱應(yīng)力耦合，建立了激光沉積均質(zhì)復(fù)合材料和功能梯度復(fù)合材料的應(yīng)力場；獲得了激光功率、掃描速率和掃描

2、方式等工藝參數(shù)與梯度分布指數(shù)、層數(shù)和層厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)對石墨銅功能梯度復(fù)合材料開裂的作用機制，得出以下結(jié)論：
　?。?）均質(zhì)復(fù)合材料的等效殘余應(yīng)力比功能梯度復(fù)合材料大，且大應(yīng)力遍布于整個材料；梯度復(fù)合材料的等效殘余應(yīng)力由底層到頂層依次變小，即梯度結(jié)構(gòu)對殘余應(yīng)力起到了緩和作用。
　　（2）激光功率在3600W-4200W范圍內(nèi)，隨著功率的遞增，殘余應(yīng)力平均值先增大后減小，并且功率4200W時平均殘余應(yīng)力最小；掃描速率在200mm/

3、min-400mm/min范圍內(nèi)，平行于X軸路徑的X向殘余應(yīng)力平均值先增小后增大，掃描速率為300 mm/min時平均殘余應(yīng)力最??；結(jié)合層與層之間的粘結(jié)強度分析，功率的最佳范圍為4000W-4200W,掃描速率最佳范圍為300mm/min-400mm/min。
　　（3）往復(fù)式掃描比單向式掃描的各向殘余應(yīng)力更小，且殘余應(yīng)力分布均勻。
　?。?）梯度分布指數(shù)0.25-4范圍內(nèi)，P=1時材料殘余應(yīng)力整體較小；在層厚0.4mm-0

4、.8mm以及層數(shù)6-10層范圍內(nèi)，得知隨著層厚的加厚以及層數(shù)的增多，制件沿各個路徑的殘余應(yīng)力都逐漸遞增；綜合分析得出梯度分布指數(shù)P=1、層厚0.6mm、8層為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　?。?）功能梯度復(fù)合材料中平行于 X軸路徑的 X向殘余應(yīng)力的極大值出現(xiàn)在左側(cè)3mm處或右側(cè)31mm處，這兩處區(qū)域的應(yīng)力值較大,是產(chǎn)生沿Y向裂紋的高發(fā)區(qū)；平行于Y軸路徑的Y向殘余應(yīng)力曲線呈“W”型，即在路徑的中間部位以及兩端的應(yīng)力較大；平行于Z軸路徑的Z向殘余