[發(fā)明專利]一種基于ANSYS的電子束增材制造多道掃描仿真方法

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• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113191052A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊鑫;王風(fēng)輝;孫晨皞;賴楊凱;王犇;張兆洋;王婉琳;馬文君
• 申請（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F111/10;G06F113/10;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 徐瑤

本發(fā)明公開了一種基于ANSYS的電子束增材制造多道掃描仿真方法，通過結(jié)合ANSYS經(jīng)典版以及WORKBENCH模塊，模擬電子束增材制造多道掃描過程，通過掃描路徑給出分段函數(shù)，分段依據(jù)為每次掃描方向的改變，變量為掃描時(shí)間，通過ANSYS函數(shù)編輯器，將設(shè)置好的分段函數(shù)導(dǎo)入編輯器，并導(dǎo)出命令流，從而實(shí)現(xiàn)了熱源的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，通過該模擬過程，可分析不同掃描參數(shù)下的溫度場及應(yīng)力場變化，以及每一掃描道次之間的耦合，為實(shí)際打印提供理論支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于ANSYS的電子束增材制造多道掃描仿真方法。

背景技術(shù)

電子束增材制造由于其成型精度高、成型件性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)被譽(yù)為最有前途的增材制造技術(shù)之一。電子束增材制造的主要特點(diǎn)是能夠成型極其復(fù)雜的零件，如具有內(nèi)部流動通道的模具和航空航天領(lǐng)域的各種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，然而電子束增材制造過程涉及多種物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象使得熔體流動行為劇烈且難以控制，并容易產(chǎn)生缺陷，例如多孔性和微裂紋，孔隙對機(jī)械性能如拉伸和疲勞強(qiáng)度有最不利的影響。電子束增材制造過程受眾多工藝參數(shù)的影響，如電流、掃描速率、光斑直徑、掃描間距等，工作人員主要通過大量反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定工藝參數(shù)，使得成本較高。

為了深入理解電子束增材制造過程，提高零件的性能，數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，眾多的仿真軟件被開發(fā)出來用于數(shù)值模擬，如Flow-3D、Fluent、OpenFOAM等用于實(shí)現(xiàn)流場模擬，ABAQUS、ANSYS等用于實(shí)現(xiàn)溫度場應(yīng)力場模擬。電子束增材過程是通過電子束對粉末多次往返掃描從而實(shí)現(xiàn)由固體-液體-固體的轉(zhuǎn)變，因此在模擬過程中實(shí)現(xiàn)電子束的往返式移動具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于ANSYS的電子束增材制造多道掃描仿真方法，用于實(shí)現(xiàn)模擬過程熱源的往復(fù)連續(xù)移動。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于ANSYS的電子束增材制造多道掃描仿真方法，具體按以下步驟實(shí)施：

步驟1，建立仿真模型，通過三維建模軟件建立模擬所需的三維模型，模型包括基底層和粉末層；

步驟2，新建增材制造數(shù)值模擬任務(wù)，在WORKBENCH中有增材制造過程的熱-力耦合模塊創(chuàng)建新的模擬任務(wù)；

步驟3，添加材料，在WORKBENCH中添加電子束增材制造模擬所需要的材料，包括基底材料和粉末層材料；

步驟4，導(dǎo)入模型，在熱分析的流程圖中，打開模型選項(xiàng)，導(dǎo)入步驟1建立好的三維模型；

步驟5，基于步驟3添加的材料，分別賦予粉末層和基底層相應(yīng)的材料；

步驟6，劃分網(wǎng)格；

步驟7，添加傳熱，設(shè)置粉末與基底之間的對流傳熱；

步驟8，添加生死單元，采用生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)固體粉末-流體-固體的轉(zhuǎn)換，添加生死單元并賦予給每個(gè)單元體，并設(shè)置單元的生死；

步驟9，設(shè)置步數(shù)，根據(jù)生死單元尺寸和掃描速度設(shè)置電子束掃過每一個(gè)生死單元的時(shí)間，每一個(gè)生死單元相當(dāng)于一個(gè)步數(shù)；

步驟10，添加熱源，基于有限元軟件模擬電子束增材制造過程，其熱源類型選擇為高斯熱源；

步驟11，計(jì)算求解，選擇溫度進(jìn)行求解。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

其中步驟1中創(chuàng)建的粉末層以六面體單元堆積，后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且為了保證網(wǎng)格劃分連續(xù)，基底層和粉末層為一個(gè)整體；

其中步驟6中劃分的網(wǎng)格使用帶有體素化選項(xiàng)的笛卡爾網(wǎng)格，且基底層網(wǎng)格比粉末層網(wǎng)格大；

其中步驟10中高斯熱源分為：高斯面熱源、高斯體熱源，該模擬為單層多道，因此采用高斯面熱源：