[發(fā)明專利]基于時(shí)間和空間主動(dòng)跟蹤的激光3D打印熔池凝固行為數(shù)值模擬方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610053576.3
• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號(hào): CN105718690A
• 公開（公告）日: 2016-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧冬冬;石齊民
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種激光3D打印熔池凝固行為數(shù)值模擬方法，尤其是一種基于時(shí)間和空間主動(dòng)跟蹤的激光3D打印熔池凝固行為數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

激光加工過程中，熔池的凝固行為對激光3D打印最終成形件的綜合性能具有至關(guān)重要的影響。凝固速率過慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強(qiáng)度；凝固速率過快易造成制件內(nèi)部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導(dǎo)致制件使用過程中的提前失效。同時(shí)，伴隨凝固行為產(chǎn)生的殘余應(yīng)力集中問題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯(lián)系。

針對激光3D打印熔池凝固行為的數(shù)值模擬是一項(xiàng)涉及三維空間尺度和復(fù)雜物理冶金現(xiàn)象，包括質(zhì)量、動(dòng)量及熱量等多重傳遞的綜合性研究工作，以往對于激光3D打印熔池凝固行為的研究主要側(cè)重于溫度場，并通過對溫度場數(shù)據(jù)的后期二次處理間接獲得溫度梯度、熔池凝固速率等數(shù)據(jù)，無法在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)對凝固行為的主動(dòng)跟蹤記錄。通過人為后期二次處理間接獲得熱物理數(shù)據(jù)，易存在數(shù)據(jù)點(diǎn)捕捉不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)精度差等缺點(diǎn)，不利于對3D打印熔池凝固行為作精確分析。同時(shí)，激光3D打印過程具有高溫熔化粉體并伴隨有熔池快速冷卻的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)觀測-記錄-分析熔池凝固行為是不易實(shí)現(xiàn)的，但熔池凝固過程中涉及的溫度場、溫度梯度、熔池凝固速率等直接影響成形件服役性能，良好的凝固行為可削弱應(yīng)力累積，并實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的合理分布，有效降低成形件內(nèi)部微裂紋和孔隙的產(chǎn)生，避免制件在承載過程中提前失效。目前，尚無工程可用的基于時(shí)間和空間主動(dòng)跟蹤的激光3D打印熔池凝固行為模擬操作程序。。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于時(shí)間和空間主動(dòng)跟蹤的激光3D打印熔池凝固行為數(shù)值模擬方法。

為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取如下的技術(shù)方案：

一種基于時(shí)間和空間主動(dòng)跟蹤的激光3D打印熔池凝固行為數(shù)值模擬方法，包括如下步驟：

第一步驟：3D打印三維有限元模型的建立

在有限元模擬軟件中建立工件的計(jì)算幾何模型以及定義工件的材料屬性，并對工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終獲得工件的三維有限元模型；

第二步驟：控制方程的建立

針對第一步建立的三維有限元模型，建立控制方程；所述的控制方程為三維熱傳導(dǎo)方程，同時(shí)根據(jù)前述的三維有限元模型，設(shè)置三維熱傳導(dǎo)方程的初始條件、邊界條件；

第三步驟：3D打印溫度場計(jì)算

根據(jù)第二步驟設(shè)置的初始條件以及邊界條件，采用牛頓-拉普森方法計(jì)算三維熱傳導(dǎo)方程，得到在三維有限元模型的不同位點(diǎn)施加高斯熱源時(shí)，三維有限元模型中各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在3D打印過程中隨時(shí)間變化的溫度T，即得到三維有限元模型的溫度場；

在求解三維熱傳導(dǎo)方程的過程中，當(dāng)某網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在當(dāng)下計(jì)算步所得到的溫度T的數(shù)值不小于材料熔點(diǎn)時(shí)，記該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)溫度為T₂，并觸發(fā)3D打印熔池的凝固速率模型，并根據(jù)該凝固速率模型計(jì)算出熔池凝固速率v_coo：

vcoo=T2-T1t]]>

其中：T₁為同一節(jié)點(diǎn)前一計(jì)算步得到的溫度值，t為三維熱傳導(dǎo)方程計(jì)算時(shí)所設(shè)置的時(shí)間步長。

根據(jù)以上的技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1.本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)模擬激光3D打印過程，采用本發(fā)明的激光3D打印有限元模型，實(shí)現(xiàn)了對加工過程中熔池凝固行為在時(shí)間和空間上的主動(dòng)跟蹤記錄，能夠更加準(zhǔn)確地捕捉節(jié)點(diǎn)信息，記錄熱物理數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析并掌握激光3D打印過程熔池凝固行為，從而建立工藝-凝固行為-組織-性能之間的對應(yīng)關(guān)系，為制定和優(yōu)化復(fù)合材料加工工藝，改善3D打印成形件綜合性能提供理論指導(dǎo)。

2.本發(fā)明通過數(shù)值模擬、材料學(xué)和材料熱力學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合，同時(shí)考慮了激光加工過程中粉體-連續(xù)固體-相變-凝固問題作用，通過對溫度場模型求解，并主動(dòng)跟蹤計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)的凝固速率，準(zhǔn)確獲得了加工過程中的熔池凝固行為，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合

附圖說明：

圖1為一種基于時(shí)間和空間主動(dòng)跟蹤的激光3D打印熔池凝固行為計(jì)算方法流程圖。