[發明專利]預測激光選區熔化熔道寬度的模擬方法及系統

在審

• 申請號: 202210427829.4
• 申請日: 2022-04-22
• 公開（公告）號: CN115017753A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 杜洋;鄧文敬;時云;王聯鳳;劉依寬;趙凱;王飛;喬鳳斌;劉正武
• 申請（專利權）人: 上海航天設備制造總廠有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20;B22F10/28;B22F10/85;B33Y50/02;G06F113/10;G06F119/08;G06F119/06
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 梁勤偉

1.一種預測激光選區熔化熔道寬度的模擬方法，其特征在于，包括：

步驟S1：確定激光選區熔化計算域邊界條件；

步驟S2：根據邊界條件分析材料，建立多物理場耦合有限元模型；

步驟S3：對單元屬性進行判斷，在有限元平臺上對有限元模型進行計算；

步驟S4：測量熔道寬度尺寸并與有限元模型求解結果對比，得到符合預設條件的有限元模型。

2.根據權利要求1所述的預測激光選區熔化熔道寬度的模擬方法，其特征在于，在所述步驟S1中：

激光與粉末接觸的邊界處理為內熱源加熱；其他邊界施加對流和輻射換熱。

3.根據權利要求1所述的預測激光選區熔化熔道寬度的模擬方法，其特征在于，在所述步驟S2中：

多物理場耦合有限元模型包括：

a、幾何模型，幾何模型包括粉末層及基板，其中粉末層網格采用映射網格劃分方式，下基板網格使用等比漸變網格劃分方式；

b、材料參數模型，根據實際熔化物理狀態，對材料的有限元單元分為粉末態單元和實體態單元，各類單元對應的物性參數不同且均隨溫度呈非線性變化；判斷規則為：當材料溫度低于液相線溫度時，屬于粉末態單元，當溫度高于液相線溫度，則將這部分單元轉化為實體態單元，且此過程不可逆；通過溫度及單元狀態兩個維度定義材料的物性特性，包括對激光的吸收率、導熱系數、比熱容、密度；

c、熱源模型，激光對粉末的熱作用處理體熱源，激光能流密度在xy平面呈高斯分布，在激光入射方向上為指數衰減，激光三維高斯能量密度分布定義如下：

其中：P表示激光功率；r為激光光斑半徑，η表示衰減系數，x，y，z表示對應激光作用點的三維坐標值，x₀，y₀，z₀表示光斑中心坐標，A(T)表示材料對激光的能量吸收率，吸收率隨溫度變化，定義如下：

其中，T_S表示材料固相線溫度，T_L為液相線溫度，A_solid表示實體材料對激光的吸收率，A_powder表示粉末對激光的吸收率。

4.根據權利要求1所述的預測激光選區熔化熔道寬度的模擬方法，其特征在于，在所述步驟S3中：

在每一個載荷步求解前，對對應的有限元單元進行單元屬性判斷，判斷是否為粉末態單元或實體態單元；在每一個載荷步求解后，對所有有限元單元的各自對應節點的平均溫度是否超過材料熔點溫度進行判斷，若超過，將該單元屬性轉化為實體態單元屬性。

5.根據權利要求1所述的預測激光選區熔化熔道寬度的模擬方法，其特征在于，在所述步驟S4中：

模擬得出的熔道寬度由實體態單元統計得出，根據單元屬性實時轉變的結果，在有限元幾何模型上獲得實體單元輪廓，通過計算單道實體單元輪廓橫向平均長度，得到預測的熔池寬度。

6.一種預測激光選區熔化熔道寬度的模擬系統，其特征在于，包括：

模塊M1：確定激光選區熔化計算域邊界條件；

模塊M2：根據邊界條件分析材料，建立多物理場耦合有限元模型；

模塊M3：對單元屬性進行判斷，在有限元平臺上對有限元模型進行計算；

模塊M4：測量熔道寬度尺寸并與有限元模型求解結果對比，得到符合預設條件的有限元模型。

7.根據權利要求6所述的預測激光選區熔化熔道寬度的模擬系統，其特征在于，在所述模塊M1中：

激光與粉末接觸的邊界處理為內熱源加熱；其他邊界施加對流和輻射換熱。