[發(fā)明專利]一種改善連續(xù)激光深熔焊熔池形貌仿真精度的數值建模方法

在審

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• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113627063A
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設計）人: 魏艷紅;陳小梅;陳紀城;常怡婷;孔斌
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
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1.一種改善連續(xù)激光深熔焊熔池形貌仿真精度的數值建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：連續(xù)激光深熔焊接過程處理為包含固、液、氣三相的傳熱-流動-相變耦合問題，建立瞬態(tài)三維不可壓縮多相流模型；

步驟2：采用頻率為5000Hz的高頻脈沖激光，將激光束離散為一定數量的子光束，子光束攜帶的能量由其到聚焦中心的距離決定，滿足高斯能量分布函數；

步驟3：將高溫羽輝對熔池表面的加熱作用等效于熔池上方的一個面熱源，其能量密度符合高斯分布；

步驟4：采用光束追蹤法計算激光束在匙孔內的多重反射，采用瑞利散射模型計算氣相加熱，采用菲涅爾吸收模型計算匙孔壁面加熱；

步驟5：采用THINC-Level Set算法初始化并實時追蹤氣-液相界面，精確計算界面法向量、曲率等拓撲信息；

步驟6：基于ANSYS Fluent軟件平臺加載數學模型，定義材料參數和工藝參數，設定邊界條件，初始化計算域的溫度、壓力、相分布，使用PISO算法進行迭代求解。

2.根據權利要求1所述的一種改善連續(xù)激光深熔焊熔池形貌仿真精度的數值建模方法，其特征在于步驟1所述的模型需遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒方程：

式中，u、ρ、μ₁、p、t、h、k和T分別代表速度場、密度、粘度、壓力、時間、混合焓、熱導率和溫度。S_M和S_E分別為動量源項和能量源項。

能量源項S_E包含瑞利散射Q_Rs、菲涅耳吸收Q_Fa和面熱源提供的能量Q_Surf。

S_E＝Q_Rs+Q_Fa+Q_Surf

動量源項S_M包括重力f_g、達西阻力f_D、熱浮力f_b和反沖壓力f_r。

f_g＝-ρg

f_b＝ρgβ(T-T₀)

式中，g、K₀、α₁、u₀、β和T₀分別為重力加速度、達西阻力系數、液相體積分數、初始速度場、熱膨脹系數和環(huán)境溫度，c為修正常數，A、B₀、M_a、H_v、N_a、k_b和n分別是壓力相關系數、蒸發(fā)常量、Avogadro常數、Boltzmann常數和自由界面法向向量。

3.根據權利要求1所述的一種改善連續(xù)激光深熔焊熔池形貌仿真精度的數值建模方法，其特征在于步驟2所述的激光束以高頻脈沖模式輸出，頻率為5000Hz，波形為尖方波，其能量密度分布滿足如下方程：

式中，k₀、P和r₀分別為熱源有效系數、激光功率和熱源半徑。

4.根據權利要求1所述的一種改善三維高頻脈沖激光深熔焊熔池形貌仿真精度的數值建模方法，其特征在于步驟3所述的將小孔開口處高溫羽輝的額外熱量等效于熔池上方的一個面熱源，其能量密度滿足如下的高斯分布：

式中，η和r₁分別為面熱源有效系數和面熱源半徑。