等离子熔射涂层导热性能的数值模拟

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第22卷第2期机械科学与技术Vo1．22No．22003年3月MECHANICAISCIENCEANDTECHN0I0GYMarch2003文章编号：1003—8728(2003)02—0265—03等离子熔射涂层导热性能的数值模拟王桂兰，陈衍祥，张海鸥(华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室，武汉430074)王桂兰摘要：等离子熔射快速制模中，由于熔射工艺本身的特点，熔射涂层具有一定的孔隙。本文中，作者采用基于元胞(UnitCel1)的有限元数值方法，直

2、接计算涂层宏观等效热传导系数与细观球形多孔结构的联系，计算了不同孔隙率下材料等效热传导系数的变化。并与基于匀质化理论(HomogenizationTheory)和多孔材料理论计算公式得到的等效热传导系数作了对比，分析了计算结果。这对于找到影响熔射层质量的基本规律，为熔射快速制模工艺参数的合理设计和熔射质量的诊断分析提供了科学依据。关键词：快速制模；涂层；多孔材料；热传导系数；数值模拟；有限元法；匀质化理论中图分类号：TG76文献标识码：A。NumericalSimulationoftheThermalConduc

3、tivityofPlasmaSprayedCoatingWANGGui-lan·CHENYan—xiang，ZHANGHai—OU。(StateKeyIaboratoryofPlasticFormingSimulationandDie,MoldTechnology．HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074)Abstract：Inrapidplasmaspraytooling(RPST)，thereareporesintheplasmasprayedc

4、oatingthatcannotbeavoidedbecauseofthesprayingprocessitself．Inthispaper，wecalculatedtherelationshipbetweenthemacroel-fectivethermalconductivity(ETC)ofplasmasprayedcoatingandthemesosphericalporestructure．ETCsofstructureswithdifferentporosityhavebeencalculated．W

5、ealsocomparedtheresultswiththatcalculatedbythehomogenizationtheoryaswellasbythetheoreticalformulas．Theresultshavebeenanalyzed．Allthiscanhelptofindthebasicrulesaffectingthequalityofplasmasprayedcoating，andtoprovidescientificfoundationsthatcanhelptooptimizethep

6、arametersofRPSTprocessanddiagnosethequalityofcoating．Keywords：Rapidtooling；Coating；Porousmaterial；Thermalconductivity；Numericalsimulation；Finiteelementmethod；Homogenizationtheory符号说明：一元胞基体热传导系数；一元胞夹杂热传导系数；一等效热传导系数；户一孔隙率g一热流量，q。一恒定热流量值；一平均热流量；△丁一元胞非绝热表面温差；丁一温度

7、；T，Tz一恒定温度值。等离子熔射快速制模法可在不受基材尺寸大小、熔射的理论及计算公式，常用的有Maxwell、Russel、Eucken、材料等限制下由快速原型或天然素材原型通过复制得到用Davis等模型Is．。目前已有的研究方法可以归为两大类：于大批量生产的模具产品，受到人们的广泛关注Ll]。在实一类分析确定等效热传导系数的上下界；另一类采用元胞际情况中，由于熔射工艺本身的特点使涂层具有一定的孔(UnitCell，UC)模型通过理论推导或数值方法直接得到等隙，约1～1O％(依具体工艺、材料参数而定)[3“]。

8、涂层内效热传导系数L7]。部孔隙的存在使得其导热性能产生较大改变，这种变化与本文中我们从数值计算的角度出发，采用基于元胞模孔隙的大小、形状、分布以及基体材料的导热性能等有很大型的有限元数值方法直接计算涂层宏观等效热传导系数与的关系，并且直接影响到涂层成形性与最终模具的质量。细观球形多孔结构的联系，结合多孔材料理论公式，基于匀对于多孔材料的导热性能预测，已经建立了一些相应质