兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 240629-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0629
李青松1, 王磊1,*(), 赵宁2, 张笑天1, 张磊2, 王克鸿1
收稿日期:
2024-07-25
上线日期:
2025-08-12
通讯作者:
基金资助:
LI Qingsong1, WANG Lei1,*(), ZHAO Ning2, ZHANG Xiaotian1, ZHANG Lei2, WANG Kehong1
Received:
2024-07-25
Online:
2025-08-12
摘要:
利用瞬态热源、热循环曲线、全热循环、固有应变4种算法,依次对电弧增材典型框体构件变形和应力进行模拟,分析不同算法下的预测精度与计算效率。研究结果表明:瞬态热源算法预测的最大变形位置为框体顶部4个边角处,应力主要集中分布在框体拐角及顶部区域,与实验结果吻合良好,特征点变形与应力的预测精度分别为96.59%与95.01%,计算时间为326h;热循环曲线算法的预测精度与瞬态热源算法相当,但计算时间缩短至117h,预测的变形云图及应力曲线与实验结果吻合较好;相较于前两种算法,全热循环和固有应变算法对特征点变形的预测精度较低,分别为85.68%和65.86%,预测的变形云图与实验结果存在较大差异,可信度较低,但计算时间分别缩短至4h和2h,效率显著提高。
中图分类号:
李青松, 王磊, 赵宁, 张笑天, 张磊, 王克鸿. 电弧增材框体结构有限元仿真模拟与实验[J]. 兵工学报, 2025, 46(7): 240629-.
LI Qingsong, WANG Lei, ZHAO Ning, ZHANG Xiaotian, ZHANG Lei, WANG Kehong. Finite Element Simulation Analysis and Experimental Study of Arc Additive Frame Structure[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(7): 240629-.
名称 | Ni | Cr | C | Mn | Si | P | Fe |
---|---|---|---|---|---|---|---|
焊丝 | 18.8 | 0.019 | 1.93 | 0.581 | 0.024 | Bal. | |
基板 | 8.11 | 18.18 | 0.05 | 0.74 | 0.36 | 0.021 | Bal. |
表1 焊丝和基板的化学成分
Table 1 Chemical composition of welding wire and substrate
名称 | Ni | Cr | C | Mn | Si | P | Fe |
---|---|---|---|---|---|---|---|
焊丝 | 18.8 | 0.019 | 1.93 | 0.581 | 0.024 | Bal. | |
基板 | 8.11 | 18.18 | 0.05 | 0.74 | 0.36 | 0.021 | Bal. |
温度/ ℃ | 屈服强度/ MPa | 热膨胀系数/ 10-5℃-1 | 杨氏模量/ GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
20 | 254 | 1.45 | 194 | 0.29 |
100 | 245 | 1.56 | 185 | |
200 | 187 | 1.66 | 171 | |
300 | 174 | 1.74 | 168 | |
400 | 166 | 1.78 | 162 | |
600 | 158 | 1.87 | 90 | |
800 | 109 | 1.92 | 66 | |
1000 | 57 | 1.97 | 43 | |
1200 | 25 | 2.01 | 20 | |
1500 | 10 | 2.16 | 10 |
表2 304不锈钢力学性能[18]
Table 2 Mechanical properties of 304 stainless steel[18]
温度/ ℃ | 屈服强度/ MPa | 热膨胀系数/ 10-5℃-1 | 杨氏模量/ GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
20 | 254 | 1.45 | 194 | 0.29 |
100 | 245 | 1.56 | 185 | |
200 | 187 | 1.66 | 171 | |
300 | 174 | 1.74 | 168 | |
400 | 166 | 1.78 | 162 | |
600 | 158 | 1.87 | 90 | |
800 | 109 | 1.92 | 66 | |
1000 | 57 | 1.97 | 43 | |
1200 | 25 | 2.01 | 20 | |
1500 | 10 | 2.16 | 10 |
温度/ ℃ | 比热容/ (J·kg-1·K-1) | 热导率 (W·m-1·K-1) | 密度/ (g·cm-3) | 弹性模 量/GPa | 线膨胀 系数/ 10-6K-1 |
---|---|---|---|---|---|
25 | 450 | 7.77 | 16.71 | 208.46 | 13.61 |
400 | 610 | 7.64 | 21.42 | 180.92 | 14.26 |
800 | 670 | 7.48 | 26.40 | 138.00 | 16.35 |
1000 | 670 | 7.40 | 28.94 | 113.25 | 17.07 |
1200 | 700 | 7.31 | 31.36 | 0.80 | 17.77 |
1400 | 1490 | 7.19 | 33.49 | 44.68 | 19.64 |
1450 | 9260 | 7.01 | 30.79 | 0 | 25.30 |
1500 | 810 | 6.69 | 31.48 | 0 | 25.78 |
表3 304不锈钢热物理参数[19]
Table 3 Thermo-physical parameters of 304 stainless steel[19]
温度/ ℃ | 比热容/ (J·kg-1·K-1) | 热导率 (W·m-1·K-1) | 密度/ (g·cm-3) | 弹性模 量/GPa | 线膨胀 系数/ 10-6K-1 |
---|---|---|---|---|---|
25 | 450 | 7.77 | 16.71 | 208.46 | 13.61 |
400 | 610 | 7.64 | 21.42 | 180.92 | 14.26 |
800 | 670 | 7.48 | 26.40 | 138.00 | 16.35 |
1000 | 670 | 7.40 | 28.94 | 113.25 | 17.07 |
1200 | 700 | 7.31 | 31.36 | 0.80 | 17.77 |
1400 | 1490 | 7.19 | 33.49 | 44.68 | 19.64 |
1450 | 9260 | 7.01 | 30.79 | 0 | 25.30 |
1500 | 810 | 6.69 | 31.48 | 0 | 25.78 |
前半轴长/mm | 后半轴长/mm | 宽度/mm | 深度/mm | 效率 |
---|---|---|---|---|
2.8 | 5.8 | 4.6 | 12 | 0.78 |
表4 双椭球热源模型参数
Table 4 Parameters of heat source model of double ellipsoid
前半轴长/mm | 后半轴长/mm | 宽度/mm | 深度/mm | 效率 |
---|---|---|---|---|
2.8 | 5.8 | 4.6 | 12 | 0.78 |
特征点与 均值 | 瞬态热源 精度/% | 热循环曲 线精度/% | 全热循环 精度/% | 固有应变 精度/% |
---|---|---|---|---|
H | 99.97 | 97.35 | 91.59 | 84.89 |
C | 93.42 | 97.40 | 95.87 | 75.96 |
D | 98.75 | 97.18 | 87.93 | 69.12 |
E | 97.91 | 96.60 | 87.49 | 56.75 |
F | 93.87 | 96.64 | 67.13 | 72.04 |
G | 98.80 | 87.10 | 73.90 | 26.32 |
均值 | 96.59 | 95.66 | 85.68 | 65.86 |
表5 特征点变形量对比
Table 5 Comparison of deformations of feature points
特征点与 均值 | 瞬态热源 精度/% | 热循环曲 线精度/% | 全热循环 精度/% | 固有应变 精度/% |
---|---|---|---|---|
H | 99.97 | 97.35 | 91.59 | 84.89 |
C | 93.42 | 97.40 | 95.87 | 75.96 |
D | 98.75 | 97.18 | 87.93 | 69.12 |
E | 97.91 | 96.60 | 87.49 | 56.75 |
F | 93.87 | 96.64 | 67.13 | 72.04 |
G | 98.80 | 87.10 | 73.90 | 26.32 |
均值 | 96.59 | 95.66 | 85.68 | 65.86 |
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