[發明專利]基于COMSOL預測金屬粉末融化/凝固熔池分布的方法

在審

• 申請號: 202110583618.5
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113436691A
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 唐倩;金鵬;馮琪翔;宋軍;金夢霞;趙明強;羅智超
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14;G06F113/10
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 胡博文

本申請提供一種基于COMSOL預測金屬粉末融化/凝固熔池分布的方法，所述方法包括如下步驟：S1：基于COMSOL構建三維固體傳熱和兩相流水平集瞬態模型；S2：確定仿真過程中的參數；S3：確定待熔化的粉末的材料屬性；S4：確定移動高斯熱源參數；S5：構建粉床的幾何模型并確定粉床的幾何模型的初始條件、邊界熱源條件和確定兩相流水平集節點下的邊界條件；S6：對粉床的幾何模型進行網格劃分并確定；S7：根據步驟S6的結果預測熔池分布。本方法基于COMSOL軟件，利用兩相流?水平集的方法耦合流體傳熱進行流體動力學仿真對激光選區融化過程進行了復現，具有保真性，能實時預測熔池分布。

技術領域

本發明涉及激光選區融化技術領域，尤其涉及一種基于COMSOL預測選區激光熔化技術金屬粉末融化/凝固熔池分布的方法。

背景技術

選區激光熔化技術是基于材料離散-逐漸累加方式制造實體零件的近凈成形技術。該技術通常以金屬粉末為原料,通過三維模型預分層處理設定激光掃描路徑,采用高能量激光束按照設定的掃描路徑逐層熔化金屬粉末,使其快速凝固、堆積而形成高性能構件。在激光增材制造過程中，通常需要監測熔池的幾何結構、溫度、沉積高度等參數，熔池的幾何結構，作為可以反映激光增材制造過程穩定性的重要特征之一，已經被廣泛的應用到過程監測和過程控制之中。同時熔池的觀測受到飛濺、光斑、未融化的粉末顆粒、熱粒子、表面氧化物、等離子體、熔池表面擾動的影響。通過熱成像儀，或者通過合適的濾波器與窄帶濾波器可以直接監測熔池的幾何形貌。但是上述方法無法觀察和捕捉仿真加工過程中產生的冶金氣孔、熔融金屬飛濺和匙孔現象。

因此，亟需一種能預測熔池分布的方法。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種基于COMSOL預測金屬粉末融化/凝固熔池分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

S1：基于COMSOL構建三維固體傳熱和水平集兩相流瞬態模型；

S2：確定仿真過程中的參數，所述參數包括理想氣體常數、金屬材料融化潛熱、金屬材料蒸發潛熱、金屬材料相對分子質量、表面輻射率、玻爾茲曼常數、金屬材料固相線、金屬材料液相線、金屬材料氣相線、金屬材料熔點、固液相線差值、環境壓強、金屬材料熱膨脹系數、表面張力系數、表面張力的熱依賴性系數、Boltzmann常量、回歸擴散系數β-r、激光移動速度、激光功率、激光半徑、環境溫度、掃描時長、糊狀區常數和機器精度；

S3：確定待熔化的粉末的材料屬性，所述材料屬性包括熱導系數、比熱容、材料密度、熱膨脹系數、固液相線，以及與氣相間的表面張力大小；

S4：確定含參變量，所述含參變量包括高斯熱源的熱通量、高斯熱源X向、高斯熱源y向、高斯熱源半徑、達西阻力、傳熱輻射、表面張力系數、熱浮力、反沖壓力對于壓力的影響、反沖壓力對于體積分數的影響、蒸發熱量損失、蒸發質量通量、反沖壓力項、水平界面識別函數；

S5：構建粉床的幾何模型，并確定粉床的幾何模型的初始條件、邊界熱源條件和確定兩相流水平集節點下的邊界條件；

S6：對粉床的幾何模型進行網格劃分并確定節點的溫度、速度、壓力和相成分；

S7：根據步驟S6的節點的溫度、速度、壓力和相成分預測選區激光熔化技術加工過程中熔池分布。

進一步，步驟S4中高斯熱源的熱通量采用如下方法確定：

Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(-2*r_focus^2)/r_spot^2)(1)

其中，Flux表示高斯熱源的熱通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光熱源，pi表示π，r_spot表示激光半徑，r_focus表示高斯熱源的焦點；

所述高斯熱源X向采用如下方法確定：