数值模拟激光熔覆低密度聚乙烯(LDPE)环形工件热力耦合性能

数值模拟激光熔覆低密度聚乙烯(LDPE)环形工件热力耦合性能

张莹，欧阳春生*，罗迎社，周敏，周思宇，汪傲雪，戴依琳，蔡文懿，何志伟，易萍

(湖南交通工程学院 交通运输工程学院，湖南 衡阳 421000)

摘要：为了确定激光熔覆LDPE最佳工艺参数，探究其激光熔覆过程中热力耦合性能。本文拟基于ANSYS，对制备LDPE环形工件过程进行数值模拟。结果表明，随着激光功率的增加，环形工件内部的残余应力增加。

关键字：LDPE；激光熔覆；ANSYS；残余应力

中图分类号： TG174.44 文献标识码： A

Thermal-mechanical coupling performance of laser cladding low density polyethylene ( LDPE ) ring workpiece was numerically simulated

ZHANG Ying，OUYANG Chun-sheng*，ZHOU Min1，ZHOU Si-yu1，

WANG Ao-xue1，DAI Yi-lin1，JIANG Cheng1，ZHANGZi-han1，

HE Zhi-wei1，YIPing1

(School of Transportation Engineering, Hunan Institute of Traffic Engineering , Hengyang 421000, China)

Abstract:In order to determine the optimal process parameters of laser cladding LDPE, the thermal-mechanical coupling performance during laser cladding was investigated. In this paper, based on ANSYS, the numerical simulation of the process of preparing LDPE ring workpiece is carried out. The results show that with the increase of laser power, the residual stress in the ring workpiece increases.

Keywords: Low density polyethylene ; laser cladding ; ANSYS ; residual stress

低密度聚乙烯(LDPE)又称高压聚乙烯，是一种塑料材料[1-3]，主要用途是作薄膜产品，小型注塑制品，如小型容器、盖子、日用制品、甚至手办模型等[4-6]。本文拟采用ANSYS模拟激光熔覆LDPE环形工件，对其热力耦合性能的研究，从理论的角度提出对制备工艺改进的建议，进而提出激光熔覆LDPE环形工件参数试配模型，从而更好满足工程应用上的需求[7-9]。

1 有限元分析建模

在Engineering data 输入材料的性能数据并导入到模型中去，并采用了自由网格法划分网格，按照上述的自由划分模型网格，

表1 LDPE粉末的热物性参数

Tab. 3 Thermal physical properties of low density polyethylene(wt.%)

1.3  加载与求解

设定温度为25℃作为制备的初始值，三维高斯热源模型[10-12]，再运用了APDL语言，在ANSYS中实现了高斯热源的定义与移动。并设置所有面与空气对流交换热量的数值为1.4 W/m·°C。

2 数值模拟分析及结果验证

温度场分析

在激光热源移动过程中，许多物理量都会发生变化，最显著的就是在激光热源附近的温度很高。下图为加载过程(5s)中高斯光源所产生的温度场。

(a)                                             (b)

图1激光熔覆5s时温度场分布云图：(a)100W;(b)200W

Fig.1 The temperature field distribution of laser cladding at 5s : ( a ) 100W ; ( b ) 200W

下图是有关于探针位于中点时温度云图。

图2加载过程中探针温度分布云图

Fig.2 probe temperature distribution nephogram during loading process

应力场分析

(a)                                             (b)

图3 激光熔覆5s时应力场分布云图:(a)100W;(b)200W

Fig.3 The stress field distribution nephogram of laser cladding at 5s : ( a ) 100W ; ( b ) 200W

当激光输出功率越大的时候，应力场所承受的应力也越大，激光功率输出大的合成绝缘保护层更有可能会因为所受应力大而产生更大的热线性膨胀变形，从而导致出现合成制备的绝缘保护层成出现成分偏析，严重影响复合绝缘保护层质量。

3 结论

随着激光功率的增加，熔池中温度增加。而随着时间的推移LDPE环形工件表面各点的温度先升后降然后趋于稳定的过程。而热应力随着高温熔池的流动出现较大变化，其中采用200w功率熔覆后的LDPE环形工件的残余热应力最大。

参考文献:

[1]马丽,杨国兴,王文燕,韦德帅.LDPE的流变性能研究[J].合成树脂及塑料,2023,40(01):49-51.

[2]陈伟. 水热法耦合过硫酸盐高级氧化法对LDPE微塑料氧化研究[D].南昌大学,2022.

[3]欧阳娜,张佳琦,王慧萍.煅烧牡蛎壳粉填充LDPE复合材料的制备与性能[J].塑料科技,2022,50(08):33-37.

[4]闫喆. 温度响应的LDPE复合薄膜柔性致动性能研究[D].天津理工大学,2021.

[5]胡晨. 功能化石墨烯-聚乙烯复合材料包装薄膜的迁移研究及安全评估[D].暨南大学,2019.

[6]付平. 电极材料改性对LDPE中空间电荷的影响[D].青岛科技大学,2018.

[7]汪若冰.镁铝层状双氢氧化物改性LDPE的制备及其性能研究[J].长春师范大学学报,2022,41(12):74-79.

[8]曾媛. 微波辅助废弃食用油与LDPE催化共热解制备单环芳烃的研究[D].南昌大学,2022.

[9]李果,李畅,孙长久,李飞翔,郭付海,赵健.共价功能化氮化硼纳米片/LDPE复合材料的制备及其力学性能[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2022,43(02):65-71.

[10]“十三五”期间我国线型LDPE进口概况[J].合成树脂及塑料,2021,38(03):33.

[11]严长浩,姬圣南,张明.LDPE/SEBS复合材料化学交联及相关性能的研究[J].塑料科技,2022,50(01):53-57.

[12]任冬雪,段雪蕾,孙小杰,李亚飞.电缆绝缘专用LDPE的结构与性能[J].合成树脂及塑料,2021,38(02):47-50+53.

基金项目：

2022年国家级大学生创新训练项目(3D激光打印低密度聚乙烯参数试配模型设计 项目编号：202213924002)；

2022年湖南省教育厅科学研究一般项目(激光3D熔覆镍基高温合金参数试配模型研究  项目编号：22C0936)；

2023年国家级大学生创新训练项目(BIM技术在装配工程中的应用研究及创新探索 项目编号：S202313924011)；

2023年省级大学生创新训练计划（绿色生态混凝土降碱损伤演变规律研究 项目编号：S202313924038）.

第一作者简介：张莹(2003—)，女(汉族)，湖南省岳阳市，湖南交通工程学院，2021级学生，物流工程，研究方向：新型材料的力学性能；电话：18975045105；邮箱：3160308961@qq.com

*通讯作者简介：欧阳春生(1996—)，男(汉族)，湖南省永州市，湖南交通工程学院，助教，硕士，研究方向：新型材料的力学性能；电话：15526450082；Email：1556105889@qq.com；a1556105889@163.com.