数值模拟激光熔覆低密度聚乙烯(LDPE)热循环特性及力学性能

数值模拟激光熔覆低密度聚乙烯(LDPE)热循环特性及力学性能

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循环特性及力学性能。本文拟基于ANSYS，对制备LDPE板状绝缘保护层的过程进行数值模拟。结果表明，随着激光功率的增加，绝缘层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 cycle characteristics and mechanical properties of laser cladding low density polyethylene ( LDPE ) were 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 cycle characteristics and mechanical properties during laser cladding were investigated. In this paper, based on ANSYS, the process of preparing LDPE plate insulation protective layer is numerically simulated. The results show that the residual stress in the insulating layer increases with the increase of laser power.

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板状工件于金属零件表面做绝缘层，对其热循环特性及力学性能的研究，从理论的角度提出对制备LDPE绝缘保护层工艺改进的建议，进而提出激光熔覆LDPE绝缘保护层参数试配模型，从而更好满足低密度聚乙烯在零件绝缘、防潮方面的应用[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。

图1 网格划分图

Fig. 1 trellis diagram

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

由于绝缘、防潮金属部件主要是应用于常温、潮湿的环境中，故设定温度为18℃作为环境的初始值，采用三维高斯热源模型[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1.6 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。

图2 加载过程中温度分布云图

Fig.3 Temperature distribution nephogram during loading process

由图5可知，A-F分别为6组不同激光功率下中部探针探针来做出温度对比图表(A为50 W，B为100 W，C为150 W，D为200 W，E为250 W，F为300 W)。可以明显看出，激光输出功率越高，同一坐标轴上温度越高。

图3 探针检测的温度变化图

Fig.3 temperature diagram of node

应力场分析

再次输入材料的热物理学属性，结合上图中的温度场数据，进行100W功率的温度场进行应力场求解。从图4可以看出，当激温度越大的时候，所产生的应力也越大。然而，绝缘保护层可能会因为应力产生热线性膨胀变形，严重时会导致绝缘层出现成分偏析，严重影响其质量。

图4 应力场分布云图

Fig.4 Cloud chart of stress field distribution

3 结论

随着激光功率的增加，熔池中温度增加。温度会导致LDPE绝缘保护层出现残余热应力。其中，绝缘保护层可能会因为应力产生热线性膨胀变形，严重时会导致绝缘层出现成分偏析，严重影响其质量。

参考文献:

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收稿日期：  ；修订日期：

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.