[發明專利]一種直接金屬沉積增材模擬方法與系統

有效

• 申請號: 202011189419.8
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112199881B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 黎波;焦立新;樊江;廖祜明
• 申請（專利權）人: 云翼超算（北京）軟件科技有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F113/10;G06F119/08
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 張夢澤

本發明涉及一種直接金屬沉積增材模擬方法及系統，涉及數值仿真技術領域。本發明以微米級粉末顆粒束和基材局部區域為模擬對象，通過高斯熱源模型建立能量輸入模型精確控制多道、多層連續打印過程中系統的熱量輸入，通過對流換熱和黑體輻射建立熱量輸出模型描述熔覆系統的熱量輸出；通過基體材料局部溫度，建立了能夠對直接金屬沉積增材過程中固?液?氣相變與多相混合進行完整跟蹤的全域材料模型，實現了動態追蹤材料的局部狀態、多相轉換和混合；最后結合熱力強耦合最優運輸無網格方法進行模擬，精確模擬材料微觀結構的動態變化。

技術領域

本發明涉及數值仿真技術領域，特別是涉及一種直接金屬沉積增材模擬方法與系統。

背景技術

隨著中國從制造大國向制造強國的逐步邁進，大型裝備、高端裝備制造業的地位舉足輕重。裝備高質量、高可靠性、長壽命的要求不斷提高，一方面對于材料的性能要求進一步提高；另一方面，也使得結構逐漸趨于一體化，從而使得結構的尺寸進一步增大，結構復雜度進一步提高，從而導致制造/修復難度急劇的增加。傳統的制造工藝(鑄造、焊接等熱加工技術、車銑刨磨鉆等冷加工技術)難以滿足這些需要，甚至無能為力。直接金屬沉積增材技術是一種新型的制造工藝，通過粉末原材料和高功率密度的激光交互作用，使得粉末原材料快速熔凝并逐層堆積(參見圖1)，從而可以制備/修復出大型、高結構復雜度的工業裝備。同時，直接金屬沉積增材技術也是一項新型的材料表面改性技術和材料設計技術，從而可以制備出高性能的材料。

直接金屬沉積增材技術無需任何模具，其加熱速度快，具有自淬火作用，熱源干凈，無污染，安全保護相對簡單，因此目前已被逐步應用于機械、電力、航天航空、汽車和冶金等裝備制造業。然而，由于直接金屬沉積增材技術實質是激光、粉末原材料以及基體三者之間相互作用的過程，涉及固體粉末顆粒間的多體碰撞接觸、材料相變(熔化/凝固/氣化)、固體粉末顆粒與熔池和蒸汽的相互作用、導熱、對流和輻射、表面張力等問題，是典型的強熱-流-固耦合過程。因此打印件的質量很容易受到工藝參數的影響，形成孔隙、裂紋、夾雜、大變形等缺陷，從而得不到高質量的成品。目前工業上為獲得一組最佳工藝參數，只能采用反復試驗的策略，導致材料和時間的大量浪費、高昂的成本，以及人為經驗的局限甚至誤導。并且利用現有設備對熔覆層溫度場、應力場以及流場進行實時精確測量與控制也異常困難。

數值模擬為深入理解直接金屬沉積增材工藝過程的物理機制與各項參數對產品性能的影響帶來了有效途徑。數值模擬能夠再現直接金屬沉積增材工藝全過程，掌握過程中溫度和組織的動態演變，對影響成形質量的材料因素和工藝因素進行分析，從而能夠有效預測打印件的裂紋、氣孔、夾雜以及層間結合力等缺陷，對于改善打印件的宏觀形貌、組織以及性能具有重要意義。然而，由于增材過程涉及上述極復雜的物理化學現象。目前數值模擬技術在直接金屬沉積增材過程中的應用雖有一定的進展，但仍與實際存在較大差距。例如，可以利用有限元法或有限體積法分別模擬打印過程中溫度場、應力場、速度場，及熔池形貌。但是難以處理顆粒與熔池流動交互、物態相變等強熱流固耦合的實際物理行為。因此急需一種能解決上述問題的新的數值模擬方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種直接金屬沉積增材模擬方法及系統，解決了現有直接金屬沉積增材工藝預測技術無法精確模擬顆粒與熔池流動交互、物態相變等強熱流固耦合的問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種直接金屬沉積增材模擬方法，包括：

獲取熔覆材料的微米級粉末顆粒束的歷史尺寸分布規律和基材的局部區域幾何模型，并根據所述微米級粉末顆粒束的歷史尺寸分布規律和所述基材的局部區域幾何模型，利用概率分布隨機數生成算法和有限元分網方法得到熔覆材料的粉末顆粒無網格模型和基材無網格模型；

根據所述粉末顆粒無網格模型和所述基材無網格模型，利用高斯熱源模型建立所述粉末顆粒無網格模型的粉末束的能量輸入模型和基材的能量輸入模型；