[發明專利]基于Python用格子Boltzmann方法進行激光粉末床熔化過程的模擬方法

在審

• 申請號: 202011235298.6
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112528570A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 張冬云;鄧鈞元;李泠杉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/27;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發明公開了基于Python用格子Boltzmann方法進行激光粉末床熔化過程的模擬方法，完全依托Python語言及Numpy、Mayavi等擴展包實現建模、計算和數據可視化的全過程。與傳統CFD方法不同，此方法無需基于連續性假設，只需將運算點視為可相互碰撞?傳遞的粒子，能夠高效的求解且可通過Python代碼高度靈活的定制模擬需求。本發明的數值模擬方法，提供了新思路，得到了打印過程中輪廓掃描對實體掃描的影響以及在激光轉角處的溫度場以及流場情況，為工藝參數的優化提供參考，同時作為一種高效的數值模擬方法，旨在為單層多道激光粉末床熔化過程熔池的溫度場和流場分析提供一種新型解決方案。

技術領域

本發明屬于激光粉末床熔化領域，具體涉及一種基于Python使用格子Boltzmann方法進行激光粉末床熔化過程的數值模擬方法。

背景技術

激光粉末床熔化(LPBF)是以鎳基合金、鋼、鈦合金等高熔點合金粉末作為主要 材料，利用激光束聚焦微光斑，使用得到的高能量密度微光斑加熱熔化粉末使其再成形的 技術。其加工過程為：將需要加工的零件使用CAD軟件建模，然后通過切片軟件處理， 將三維模型重構為具有一定厚度(通常為幾十微米)的二維薄層，并在粉末床的不同區域 (例如輪廓掃描區域、輪廓與實體掃描區之間的填充區和實體掃描區)設定不同的激光功 率、掃描速度和光斑間隔，然后逐層掃描完成加工。

采用LPBF技術成形零件的關鍵在于處理好激光與粉末作用過程，實際加工過程中， 由于劇烈的熔池反應，不同的激光加工參數(功率、速度等)和粉末屬性(粒徑、材料熱物性等)將會影響最終的成形質量。并且因為激光與粉末作用過程極短，無法直接通過傳統的實驗方法觀察分析作用過程中的復雜物理現象，因此數值模擬作為一種節約時間成本和實驗成本的方法被引入到對LPBF過程的研究中。

隨著計算機技術的不斷發展，數值模擬技術在LPBF過程研究中從簡單的溫度場計算，逐漸深入到研究介觀角度的熔池演化、微觀角度的結晶過程，主要使用Flow-3D、Fluent、COMSOL Multiphysics軟件，通過有限體積法、有限元法或者有限差分法實現。近幾年隨著格子Boltzmann方法的發展，已經成為了流體仿真研究的重要手段，其求解N-S 方程的方法區別于傳統的有限元法或有限體積法，在求解過程中避免了拉普拉斯算子計算占用大量計算資源的問題，因此在求解N-S方程時具有獨特的優勢，但現有的基于格子Boltzmann方法的商用軟件還不成熟，多采用C++、Matlab、Fortran進行編程實現。

發明內容

有鑒于此，本發明基于格子Boltzmann方法，采用Python對LPBF過程進行編 程處理，通過采用成熟的宏包Numpy、Math、Scipy、Matplotlib和Mayavi對數值模擬過 程所涉及的前處理、計算和后處理過程進行編譯和運算，得益于格子Boltzmann方法較傳 統方法計算方面的優越性以及Python自編程的靈活適用性，得到帶有輪廓掃描的單層多道 LPBF加工模型的溫度場和流場演變，達到指導實際加工的目的。

為達到上述目的，本發明創造的技術方案是，一種基于Python使用格子Boltzmann方法進行激光粉末床熔化過程的數值模擬方法，具體包括如下步驟：

第一步：建立1.5mm×1.5mm×0.5mm的激光粉末床熔化幾何模型，并規劃掃描路徑；

第二步:劃分格子單元，初始化D₃Q₁₅模型；

第三步:對熱物理參數進行無量綱轉換和歸一化處理，并對各物理量進行矩陣的創建 和初始化處理；

第四步：建立沿z軸方向能量衰減，xy平面呈高斯分布的激光體積熱源模型；

第五步：添加能量和動量邊界條件；

第六步：使用Python耦合迭代求解基于格子Boltzman方法的能量與動量傳輸方程， 得到不同時刻不同位置的分布函數；