[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

本發明提供一種復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法，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成銳角的結構件，其步驟主要包括：利用焊槍姿態變化的方法堆積復雜特征結構件；測量基板上溫度變化曲線；基于廣義雙橢球熱源建立熱場計算有限元模型；計算結束后，提取基板上溫度變化曲線，與實測溫度變化曲線進行對比，驗證有限元模型的正確性，完成復雜特征結構件電弧增材制造熱場的計算，本發明基于廣義雙橢球熱源模型建立了計算復雜特征結構件熱場的有限元模型，實現了復雜特征結構件電弧增材制造熱場的準確計算，為預測復雜特征結構件電弧增材制造過程中應力、變形分布，優化復雜特征結構件工藝參數提供了前提條件。

技術領域

本發明屬于電弧增材制造技術領域，具體涉及一種復雜特征結構件電弧增材制造熱場計算方法。

背景技術

在眾多增材制造技術中，電弧增材制造技術近幾十年受到不少學者的關注，原因主要在于其具有堆積效率高，絲材利用率高，設備成本低，柔性化程度高等優點，適合于在較短的生產周期內制造出具有復雜幾何特征的結構件。復雜特征結構件是指在成形過程中堆積層的生長方向與基板成銳角的結構件，其在工業生產中應用范圍廣，實用價值高。然而復雜結構件在電弧增材制造過程中經歷的熱過程復雜，成形后易發生變形甚至開裂。因此，為了更好地控制這種復雜構件的成形質量，獲得其制造過程中的熱分布情況十分有必要。

電弧增材制造過程涉及多個物理場的相互作用，采用傳統的試驗及解析求解方法難以獲得準確的熱場分布，而基于有限元軟件的數值計算方法則能有效預測電弧增材制造過程熱場的分布。目前，國內鮮有關于復雜特征結構件電弧增材制造過程熱場的研究。經現有文獻檢索發現，中國專利申請號：201710167587.9名為“一種電弧增材制造有限元建模方法”提供了一種電弧增材制造有限元建模方法，該方法通過模擬電弧形態和熔滴形態建立電弧增材制造有限元幾何模型，并對溫度場模型進行了修正，然而該建模方法無法對復雜特征結構件熱場進行計算。中國專利申請號：201710038712.6名為“一種薄壁構件電弧填絲增材制造溫度場預測方法”提供了一種計算薄壁構件電弧填絲增材制造溫度場的方法，該方法建立了預測薄壁結構件溫度場分布的有限元模型，并采用被動視覺系統檢測試驗過程的熔池形貌，利用熱電偶測量熱循環曲線，參照試驗結果對有限元模型進行了微調，同樣地，該方法只能用于預測簡單直壁件溫度場分布，不能用于計算復雜特征結構件熱場。因此，亟需提供一種計算復雜特征結構件電弧增材制造熱場的方法，這對推動電弧增材制造技術在工業生產中的應用具有重要的現實意義。

發明內容

本發明的目的是為了解決復雜特征結構件電弧增材制造過程中熱場分布難以計算的難題，提供一種復雜特征結構件電弧增材制造過程熱場計算方法，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。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

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，本發明提供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；