[發(fā)明專利]一種激光立體成形閉環(huán)仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910711905.2
• 申請日: 2019-08-02
• 公開（公告）號: CN110569542B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬良;陳靜;姚波
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

1.一種激光立體成形閉環(huán)仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，建立基板的幾何模型；

步驟2，建立目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的幾何模型并劃分網(wǎng)格，將目標(biāo)結(jié)構(gòu)件劃分為M個熔覆層，每一個熔覆層包括若干個熔池，一個熔池包括若干個網(wǎng)格；對目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的幾何模型施加初始邊界條件并設(shè)置激光立體成形目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的工藝參數(shù)，形成目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的熱力耦合模型；

步驟3，通過目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的熱力耦合模型計算每一個熔覆層中每一個熔池的溫度場和激光功率，具體包括以下步驟：

步驟3.1，在熱力耦合模型中設(shè)定目標(biāo)熔池溫度T_set，最低熔池溫度T_min和最高熔池溫度T_max；

步驟3.2，計算第1個熔覆層內(nèi)每一個熔池的溫度場和激光功率，至第1個熔覆層內(nèi)所有熔池計算結(jié)束；計算第2個熔覆層內(nèi)每一個熔池的溫度場和激光功率，至第2個熔覆層內(nèi)所有熔池計算結(jié)束，…，計算第i個熔覆層內(nèi)每一個熔池的溫度場和激光功率，至第i個熔覆層內(nèi)所有熔池計算結(jié)束；i為≥1的自然數(shù)；

計算第i個熔覆層內(nèi)溫度場和激光功率時，從該熔覆層內(nèi)的第1個溫度場開始計算，得到第1個熔池的最大熔池溫度T_1max；通過第1個熔池的最大熔池溫度T_1max計算第2個熔池激光功率，通過第2個熔池激光功率計算第2個熔池的溫度場，進而得到第2個熔池的最大熔池溫度T_2max…，通過第j-1個熔池的最大熔池溫度T_j-1max計算第j個熔池激光功率，通過第j個熔池激光功率計算第j個熔池的溫度場，進而得到第j個熔池的最大熔池溫度T_jmax，依次類推至第i個熔覆層所有熔池的溫度場和激光功率計算結(jié)束；

步驟3.2中，計算每一個熔覆層中第j個熔池的溫度場和激光功率時，將第j-1個熔池的最大溫度T_j-1max和激光功率代入，通過閉環(huán)控制算法PID計算第j個熔池的激光功率，計算公式如下式(2)所示：

式中，P(j)為第j個熔池的激光功率，K_p為比例系數(shù)，K_i為積分系數(shù)，k_d為微分系數(shù)，m為熔池個數(shù)；e(j-1)＝T_set-T_j-1max為第j-1個溫度場的最大溫度T_j-1max和標(biāo)準(zhǔn)溫度T_set的差值；e(j-2)＝T_set-T_j-2max為第j-2個溫度場的最大溫度T_j-2max和標(biāo)準(zhǔn)溫度T_set的差值；

步驟3.3，重復(fù)步驟3.2，至M個熔覆層內(nèi)所有的熔池計算結(jié)束，整個目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的激光功率計算結(jié)束，激光立體成形閉環(huán)仿真結(jié)束。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光立體成形閉環(huán)仿真方法，其特征在于，步驟1和步驟2中，通過有限元分析軟件建立幾何模型，將初始邊界條件和激光立體成形目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的工藝參數(shù)輸入至有限元分析軟件中，形成熱力耦合模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光立體成形閉環(huán)仿真方法，其特征在于，步驟2中，所述初始邊界條件包括激光吸收率，熱輻射系數(shù)，對流換熱系數(shù)和基板約束；所述激光立體成形目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的工藝參數(shù)包括光斑尺寸、掃描速度、沉積厚度和初始激光功率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光立體成形閉環(huán)仿真方法，其特征在于，步驟2中，所述初始邊界條件通過標(biāo)準(zhǔn)熱力耦合模型得到，所述標(biāo)準(zhǔn)熱力耦合模型的計算過程為：第一步，獲取激光立體成形目標(biāo)結(jié)構(gòu)件過程中基板的溫度變化曲線；第二步，通過有限元分析軟件建立標(biāo)準(zhǔn)熱力耦合模型，標(biāo)準(zhǔn)熱力耦合模型中設(shè)定參數(shù)和第一步中激光立體成形目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的參數(shù)相同；第三步，不斷調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)熱力耦合模型中的邊界條件，獲得與第一步中基板的溫度變化曲線相同的標(biāo)準(zhǔn)熱力耦合模型中基板的溫度變化曲線，此時對應(yīng)的邊界條件為初始邊界條件。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光立體成形閉環(huán)仿真方法，其特征在于，第二步中，標(biāo)準(zhǔn)熱偶模型中設(shè)定參數(shù)包括基板的尺寸和材料、目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的尺寸和材料、以及激光立體成形工藝參數(shù)。