[發明專利]復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法

有效

• 申請號: 201810973005.0
• 申請日: 2018-08-24
• 公開（公告）號: CN109145453B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 熊俊;李蓉;劉廣超;陳輝
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/08;G06F113/10
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡;葛啟函

1.一種復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法，所述的復雜特征結構件為堆積層生長方向與基板上表面法線方向之間成銳角的結構件，其特征在于按以下步驟進行：

步驟一：堆積復雜特征結構件：堆積過程在基板表面進行，焊槍在垂直于堆積方向的平面內的投影與基板上表面法線方向的夾角為β，0°β≤78°，焊槍軸線與堆積方向的夾角為λ，λ的取值范圍為90°-150°，堆積開始前，移動焊槍并保證：焊槍軸線與基板上表面的交點、和焊槍噴嘴末端的距離為D，包括以下兩種復雜特征結構件的堆積方案；

a)如果復雜特征結構件為多層單道：引燃電弧，焊槍沿著第一層堆積路徑移動，完成第一層的堆積，然后將焊槍沿其軸線方向抬高h，進行第二層的堆積，h為沿軸線的長度，重復上述過程直至堆積結束，堆積過程中對基板上表面靠近第一層的點進行測溫，記錄測溫位置和測溫結果；

b)如果復雜特征結構件為多層多道：引燃電弧，焊槍沿著第一層第一道堆積路徑移動，完成第一層第一道的堆積后，橫向移動焊槍，保證第一層第二道堆積路徑與第一層第一道堆積路徑的間距為S₁，S₁的取值范圍為3.5-8.5mm，然后焊槍沿著第一層第二道堆積路徑移動，重復上述過程，繼續堆積第一層第三道、第四道，直至第一層堆積結束，第二層所有堆積道相對于第一層所有堆積道整體橫向偏移S₂，S₂＝H·tanβ，H為第一層堆積層高度，0mmS₂≤11mm，將焊槍先沿其軸線方向抬高h，再橫向平移至第二層第一道堆積路徑起點處，移動完成后，進行第二層第一道的堆積；第二層第一道堆積結束后，橫向移動焊槍，保證第二層第二道堆積路徑與第二層第一道堆積路徑的間距為S₁，然后焊槍沿第二層第二道堆積路徑移動，用同樣的方法繼續堆積第二層第三道、第四道，直至第二層堆積結束；重復上述過程，完成剩余層的堆積；堆積過程中對基板上表面靠近第一層第一道的點進行測溫，記錄測溫位置和測溫結果；

步驟二：建立計算熱場的有限元模型：在有限元軟件中對復雜特征結構件和基板進行幾何建模并生成網格；設定結構件和基板的材料熱物理性能參數，確定每一道的堆積方向和填充區域，并設置初始條件及散熱邊界條件；

步驟三：選擇廣義雙橢球熱源作為模擬復雜特征結構件堆積過程的熱源模型，其前半橢球及后半橢球熱流密度分布公式分別為：

上述公式中，Q為熱輸入，Q＝ηUI,η為熱源效率，U為電弧電壓，I為電流，f_f與f_r分別為熱輸入在前后半橢球的熱量分布系數，a，b，c為熱源形狀參數，其中a為橢球半寬，b為橢球深度，c_f與c_r分別為前后橢球半軸長，θ、γ、λ分別為焊槍軸線與參考坐標系X、Y、Z軸的夾角；

步驟四：編寫廣義雙橢球熱源程序：為實現熱源在不同堆積道的運動，通過坐標變換公式保證坐標系原點與堆積道起始點重合，Z軸正方向與堆積方向一致，然后將焊槍軸線與各坐標軸所成的夾角代入步驟三中的廣義雙橢球熱源熱流密度分布公式，熱源程序編寫完成后，生成驅動外部計算文件；

步驟五：完成復雜特征結構件熱場的計算，驗證有限元模型的正確性：設定每道堆積道的計算時間步長并加載邊界條件，讀取熱源驅動外部計算文件，最后提交分析文件，計算完成后，提取基板表面與實驗測量相同點的溫度變化曲線，將計算獲得的溫度變化曲線與步驟一中實驗獲得的數據進行擬合，驗證有限元模型的正確性，若擬合誤差大于預設值，則對熱源形狀參數進行調整，直至擬合誤差小于預設值。

2.根據權利要求1所述的一種復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法，其特征在于步驟一中，對于不同堆積層，焊槍在垂直于堆積方向的平面內的投影與基板上表面法線方向的夾角β取值是不同的。

3.根據權利要求1所述的一種復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法，其特征在于步驟一中，對于不同堆積道，焊槍軸線與堆積方向的夾角λ取值是不同的。

4.根據權利要求1所述的一種復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法，其特征在于步驟一中焊槍軸線與基板上表面的交點、和焊槍噴嘴末端的距離D的取值范圍為8-18mm。

5.根據權利要求1所述的一種復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法，其特征在于步驟四中的熱源程序用Fortran語言編寫，生成的驅動外部計算文件格式為.f。