[發明專利]基于高端裝備與智能制造的高通量集成計算分析模擬方法

在審

• 申請號: 202110653200.7
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113283149A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 王永彪;陳聰;劉新田;龍偉民;關紹康;劉建秀;白代萍;蔣軍杰;何培英;樊江磊
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/08;G06F119/20
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 栗改

本發明提出了一種基于高端裝備與智能制造的高通量集成計算分析模擬方法，用以解決現有電子束同軸熔絲增材制造工藝周期長、效率低，成本大的問題。本發明的具體步驟為：步驟一：利用ANSYS仿真軟件建立有限元模型；步驟二：定量模擬分析熱源的形狀參數對計算結果的影響，確定熱源合適的形狀參數值；步驟三：多節點/多任務集成計算模擬，量化加工參數對熔池溫度及形貌的影響。本發明能夠量化加工參數對熔池溫度和形貌的影響，可以反映熔池溫度和形貌變化規律，減少工業生產中大量的實驗測量，從而有效降低生產中實驗調控的研發成本，且仿真模擬能夠獲得較高精度，便于實際實驗對比分析以及提升成型件質量。

技術領域

本發明涉及電子束同軸熔絲增材制造工藝的技術領域，具體涉及電子束快速成形、增材制造、ANSYS參數化仿真以及高通量集成計算分析，屬于增材制造、參數化仿真和高通量計算的交叉領域，尤其涉及一種基于高端裝備與智能制造的高通量集成計算分析模擬方法。

背景技術

電子束同軸熔絲增材制造成形技術(Electron beam coaxial fuse additivemanufacturing，簡稱EBF)是將“材料制備/精確成形”有機融為一體的高端裝備與智能制造技術，利用真空環境下的高能電子束流作為熱源，直接作用于工件表面，在前一層增材或基材上形成熔池；送絲系統將絲材送入，絲材受電子束加熱融化，形成熔滴，隨著工作臺的移動，使熔滴沿著一定的路徑逐滴沉積進入熔池，熔滴之間緊密相連，從而形成新一層的增材，層層堆積，直至零件完全按照設計的形狀成形。

EBF加工過程一般是在真空環境下進行的，工作時產生的熱量只有通過與之相接觸的工作臺傳導，因此整個加工過程散熱較為緩慢，并且隨著材料堆積層數的增加，工作臺的散熱效果越來越差，導致熱量積累嚴重，容易導致沉積體組織上下不均勻或增材層熔池側漏。而通過調控加工過程中的工藝參數可以極大地避免這些現象產生，因此優化EBF加工工藝首先需要量化工藝參數對熔池溫度以及形貌的影響。

由于EBF加工條件的特殊性，熔池的溫度、形貌和流動等屬性不易被檢測。目前在工業生產中多采用傳統的經驗和試錯方法進行工藝研究，這種方法需要以大量的實驗作基礎，不僅周期長、效率低，而且成本消耗巨大，不利于生產盈利。因此，如何高效獲取EBF加工過程中熔池的溫度和形貌參數，成為本領域技術人員急需解決的問題。

20世紀以來，隨著計算機行業的迅速發展，數值模擬與高通量集成計算技術應運而生。模擬仿真技術可以彌補實驗過程中難以預測的物化過程，通過高通量集成計算，量化加工參數對熔池溫度及形貌的影響，為實際生產提供更多的指導，幫助研究人員和工程師們更好的預測加工零件的質量和性能。

發明內容

針對現有電子束同軸熔絲增材制造工藝周期長、效率低，成本大的技術問題，本發明提出一種基于高端裝備與智能制造的高通量集成計算分析模擬方法，建立溫度場有限元模型并量化加工參數對熔池溫度及形貌的影響，減少工業生產中大量的實驗測量，從而有效降低生產中實驗調控的研發成本，相較與其他工藝理論具有更加突出的優勢。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種基于高端裝備與智能制造的高通量集成計算分析模擬方法，其步驟如下：

步驟一：利用ANSYS仿真軟件建立有限元模型，進行加工模擬計算；

步驟二：利用有限元模型定量模擬分析熱源的形狀參數對計算結果的影響，確定合適的形狀參數值；

步驟三：利用步驟二得到的形狀參數值多節點/多任務集成計算模擬，量化加工參數對熔池溫度及形貌的影響。

所述步驟一中的有限元模型為熔池瞬態傳熱的目標工件的有限元模型，有限元模型的網格劃分時采用大小不等的漸變式網格分布：在溫度梯度變化大的加工和熱影響區采用較為密集的網格，在溫度梯度變化相對較小的區域采用稀疏的網格。