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热喷涂中熔滴摊开凝固过程的ISPH模拟

汇报人：

2024-01-14

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目录

引言

热喷涂技术及熔滴行为概述

ISPH方法基本原理与数值模型构建

ISPH模拟结果与实验验证分析

ISPH方法在热喷涂中熔滴行为研究中的应用探讨

结论与展望

01

引言

热喷涂技术

热喷涂技术是一种广泛应用于表面改性和修复的技术，通过高速喷射熔融或半熔融状态的喷涂材料，使其在基体表面形成涂层。熔滴摊开凝固过程是热喷涂技术中的关键步骤，直接影响涂层的质量和性能。

熔滴摊开凝固过程的重要性

熔滴在撞击基体后，经历摊开、凝固和冷却等过程，形成涂层。这一过程中，熔滴的形态、速度和温度等参数对涂层的微观结构和力学性能具有重要影响。因此，深入研究熔滴摊开凝固过程对于优化热喷涂工艺、提高涂层质量具有重要意义。

VS

目前，国内外学者已经对热喷涂中熔滴摊开凝固过程进行了大量研究，包括实验观测、理论分析和数值模拟等方法。然而，由于熔滴摊开凝固过程的复杂性，现有的研究仍存在一定局限性，如实验条件难以完全模拟实际工况、理论模型过于简化等。

发展趋势

随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法逐渐成为研究熔滴摊开凝固过程的重要手段。其中，光滑粒子流体动力学（SmoothedParticleHydrodynamics,SPH）方法因具有无网格、自适应性强等优点，在模拟复杂流体现象方面展现出巨大潜力。因此，将SPH方法应用于热喷涂中熔滴摊开凝固过程的模拟是未来研究的重要方向。

国内外研究现状

本文旨在通过改进的光滑粒子流体动力学（ImprovedSmoothedParticleHydrodynamics,ISPH）方法对热喷涂中熔滴摊开凝固过程进行数值模拟，揭示熔滴在撞击基体后的动态行为及涂层形成机制，为优化热喷涂工艺提供理论支持。

研究目的

首先建立适用于热喷涂中熔滴摊开凝固过程的ISPH模型，并通过实验验证模型的准确性；然后利用该模型对熔滴撞击基体后的形态演变、温度分布和凝固过程进行模拟分析；最后探讨工艺参数（如喷涂速度、温度等）对涂层质量和性能的影响规律。

研究内容

02

热喷涂技术及熔滴行为概述

利用热源将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，并通过高速气流将其雾化并喷射到基体表面，形成涂层的技术。

热喷涂技术原理

根据热源的不同，热喷涂技术可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂等。

热喷涂技术分类

在热喷涂过程中，喷涂材料在热源的作用下加热熔化，形成熔滴。熔滴的大小、形状和速度等参数对涂层的形成和质量具有重要影响。

熔滴在气流的作用下向基体表面传输。传输过程中，熔滴受到气流速度、温度、压力等因素的影响，可能发生变形、冷却、氧化等变化。

熔滴传输

熔滴形成

熔滴摊开

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当熔滴撞击到基体表面时，由于动量和表面张力的作用，熔滴会摊开并覆盖一定面积的基体表面。摊开程度受到熔滴速度、角度、温度以及基体表面性质等因素的影响。

凝固过程

02

随着熔滴的冷却，熔滴开始凝固并与基体表面形成冶金结合。凝固过程中可能出现缩孔、裂纹等缺陷，影响涂层的致密性和结合强度。

影响因素

03

熔滴摊开凝固过程受到诸多因素的影响，如熔滴的物理化学性质（粘度、表面张力等）、工艺参数（喷涂距离、角度、速度等）以及基体表面的预处理状态等。

03

ISPH方法基本原理与数值模型构建

光滑粒子流体动力学（SPH）方法

ISPH方法基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法，该方法是一种无网格的拉格朗日粒子方法，适用于模拟复杂流体现象。

不可压缩SPH（ISPH）方法

针对传统SPH方法在模拟不可压缩流体时存在的压力振荡和体积守恒问题，ISPH方法通过引入压力修正算法和密度重初始化技术，实现了对不可压缩流体的稳定模拟。

粒子初始化

在模拟开始前，需要对计算域进行粒子初始化，生成具有合适密度和压力分布的粒子集合。

在ISPH方法中，边界条件处理是一个重要环节。常见的边界处理方法包括排斥力法、镜像粒子法和固壁粒子法等。这些方法通过在边界处生成虚拟粒子或施加外力，实现对流体粒子与边界的相互作用模拟。

边界条件处理

ISPH方法涉及多个参数的设置，如粒子质量、光滑长度、时间步长等。这些参数的选择直接影响模拟结果的准确性和稳定性。因此，在进行模拟前需要对这些参数进行仔细选择和调整。

参数设置

04

ISPH模拟结果与实验验证分析

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将模拟得到的熔滴形态与实验结果进行对比，可以发现模拟结果与实验结果在整体形态上具有较好的一致性。

形态对比

通过对比模拟和实验的温度和速度分布数据，可以评估模拟的准确性，并进一步分析熔滴的传热和流动特性。

温度和速度分布对比

将模拟预测的微观组织与实验观察结果进行对比，可以验证模拟的准确性，并为优化喷涂工艺提供依据。

微观组织对比

物理模型简化

ISP