《車用發動機高密度雷射製造熔凝過程中的力學問題》是依託中國科學院力學研究所，由虞鋼擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：車用發動機高密度雷射製造熔凝過程中的力學問題
- 項目類別：重點項目
- 項目負責人：虞鋼
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對新一代車用發動機高轉速、大功率、結構緊湊的製造要求，突破傳統工藝不能精確控制關鍵部件形狀與性能的製造瓶頸，開展高能密度雷射製造熔凝過程中的關鍵力學問題研究。主要包括：研究雷射作用下熔池形成及演化，表面毛細張力、溫度梯度、壓力梯度等變化對熔池自由表面形貌的影響，開展熔池溫度場、應力場及流場的力學分析及數值模擬，探索匙孔（keyhole）形成機制及其對熔池氣-液界面的擾動特徵；研究熔池凝固過程的物理機制及多尺度力學建模，構建宏、細觀物理模型與數值模擬方法，側重研究凝固過程液-固界面區中微結構、微缺陷及殘餘應力的產生與演化；研究雷射製造過程中工藝參數最佳化控制與性能檢測，運用物理建模和數值模擬結果及先進的測試方法，在量綱分析基礎上，確定影響質量控制的關鍵參量。通過本項目的深入研究，為雷射製造中形狀與性能的精確控制奠定科學基礎，發展雷射製造力學，加速我國高功率密度車用發動機的研製進程與更新換代。
結題摘要
本項目主要對車用發動機雷射先進制造熔凝過程的力學問題開展了深入系統的研究。針對不同雷射束功率密度作用下雷射製造過程的不同物理力學機制，建立了相應的高密度雷射製造熔池形成與演化的物理和數學模型。該模型考慮了雷射與材料的相互作用，熱傳遞、熔池熱流體的不可壓粘性流動，熔池形成的驅動力，氣-液、液-固相變，以及高溫下引起的蒸發和濺射等複雜的物理和力學現象。基於此模型計算的瞬態溫度場結果，建立了描述結構-熱應力-變形關係的巨觀數值模型，計算了雷射製造結構件的三維瞬態應力變形場，研究了瞬態應力與變形的分布與演化規律、並從焊接熱循環的角度解釋應力變形的特點。針對高密度雷射製造快速、非平衡凝固過程，深入研究了不同雷射功率密度下微結構特徵及其影響因素。利用等應變法獲取了雷射異種焊接焊縫材料的準靜態應力應變曲線。針對焊接結構特徵創新性地採用廣義的SHP(T)B技術，設計了裝置的卡套式連線方式，對焊接構件在高溫高應變率載入條件下的動態變形特徵進行了深入的研究，並對母材應變率及溫度相關的Johnson-Cook本構方程參數進行了測試和擬合。另外，結合發動機實際套用，對渦輪蝸桿異種金屬雷射焊接，氣缸蓋火力面、氣門座的雷射表面處理，進行了工藝力學分析與評價。尤其針對發動機噴油嘴雷射精微打孔，結合噴油孔的噴油特性，包括孔內的燃油流動及孔外的燃油噴射霧化效果對雷射打孔工藝進行了最佳化和評價。
