[發(fā)明專利]預(yù)測(cè)激光選區(qū)熔化熔道寬度的模擬方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210427829.4
• 申請(qǐng)日: 2022-04-22
• 公開（公告）號(hào): CN115017753A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜洋;鄧文敬;時(shí)云;王聯(lián)鳳;劉依寬;趙凱;王飛;喬鳳斌;劉正武
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海航天設(shè)備制造總廠有限公司
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): 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(wù)所 31334
• 代理人: 梁勤偉

本發(fā)明提供了一種預(yù)測(cè)激光選區(qū)熔化熔道寬度的模擬方法及系統(tǒng)，包括：步驟S1：確定激光選區(qū)熔化計(jì)算域邊界條件；步驟S2：根據(jù)邊界條件分析材料，建立多物理場(chǎng)耦合有限元模型；步驟S3：對(duì)單元屬性進(jìn)行判斷，在有限元平臺(tái)上對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算；步驟S4：測(cè)量熔道寬度尺寸并與有限元模型求解結(jié)果對(duì)比，得到符合預(yù)設(shè)條件的有限元模型。本發(fā)明提供了考慮材料非線性物性特征的預(yù)測(cè)激光選區(qū)熔化熔道寬度的模擬方法，通過該方法預(yù)測(cè)的熔道尺寸可評(píng)價(jià)激光選區(qū)熔化熔道搭接效果、快速預(yù)測(cè)孔洞缺陷位置及實(shí)現(xiàn)激光選區(qū)熔化制造工藝參數(shù)優(yōu)選。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種預(yù)測(cè)激光選區(qū)熔化熔道寬度的模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在使用激光選區(qū)熔化技術(shù)在開發(fā)新材料成形工藝時(shí)，由于成形過程在氬氣環(huán)境中進(jìn)行，多次試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致成本較高且材料浪費(fèi)，使用數(shù)值模擬的方法來進(jìn)行研究就成為了預(yù)測(cè)熔池寬度、優(yōu)選工藝參數(shù)的有效途徑。基于此方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)大量的重復(fù)試錯(cuò)試驗(yàn)，從而減少新材料激光選區(qū)熔化成形工藝摸索時(shí)間，增加材料的利用率，改善零件設(shè)計(jì)流程、設(shè)備生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量，指導(dǎo)優(yōu)化激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)，為開發(fā)新一代激光選區(qū)熔化設(shè)備提供理論指導(dǎo)作用，為制備滿足設(shè)計(jì)需求的復(fù)雜鋁合金構(gòu)件提供科學(xué)依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要基于有限元方法對(duì)激光選區(qū)熔化成形工藝過程進(jìn)行建模，其中使用的熱源模型類型可分為：均勻面熱源、高斯面熱源、均勻體熱源、錐形體熱源、橢球熱源及高斯體熱源等。然而大多數(shù)研究中將激光吸收率取為定值，且很少考慮激光選區(qū)熔化成形過程中，材料由粉末態(tài)轉(zhuǎn)化為實(shí)體態(tài)對(duì)應(yīng)的單元屬性轉(zhuǎn)變特性，導(dǎo)致實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定差異。

專利文獻(xiàn)CN113779793A(申請(qǐng)?zhí)枺篊N202111060679.X)公開了一種基于射線追蹤的激光選區(qū)熔化的熱源建模方法，應(yīng)用于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)現(xiàn)有增材制造技術(shù)中SLM制備件的工藝參數(shù)確定方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且花費(fèi)較大的問題，本發(fā)明對(duì)考慮粉末影響的熱源模型進(jìn)行了深入分析，研究其在水平方向上和豎直方向上能量的分布情況，具體的：首先采用Python編程得到粉末模型，將得到的粉末模型與激光進(jìn)行交互作用，計(jì)算、統(tǒng)計(jì)熱源在粉末中的分布情況，然后對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行深度方向和水平方向的擬合，獲得熱源的分布規(guī)律，得到完整的熱源模型；將該熱源模型應(yīng)用于溫度場(chǎng)仿真。但該發(fā)明會(huì)導(dǎo)致實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定差異。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)測(cè)激光選區(qū)熔化熔道寬度的模擬方法及系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種預(yù)測(cè)激光選區(qū)熔化熔道寬度的模擬方法，包括：

步驟S1：確定激光選區(qū)熔化計(jì)算域邊界條件；

步驟S2：根據(jù)邊界條件分析材料，建立多物理場(chǎng)耦合有限元模型；

步驟S3：對(duì)單元屬性進(jìn)行判斷，在有限元平臺(tái)上對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算；

步驟S4：測(cè)量熔道寬度尺寸并與有限元模型求解結(jié)果對(duì)比，得到符合預(yù)設(shè)條件的有限元模型。

優(yōu)選地，在所述步驟S1中：

激光與粉末接觸的邊界處理為內(nèi)熱源加熱；其他邊界施加對(duì)流和輻射換熱。

優(yōu)選地，在所述步驟S2中：

多物理場(chǎng)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(wǎng)格采用映射網(wǎng)格劃分方式，下基板網(wǎng)格使用等比漸變網(wǎng)格劃分方式；

b、材料參數(shù)模型，根據(jù)實(shí)際熔化物理狀態(tài)，對(duì)材料的有限元單元分為粉末態(tài)單元和實(shí)體態(tài)單元，各類單元對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)不同且均隨溫度呈非線性變化；判斷規(guī)則為：當(dāng)材料溫度低于液相線溫度時(shí)，屬于粉末態(tài)單元，當(dāng)溫度高于液相線溫度，則將這部分單元轉(zhuǎn)化為實(shí)體態(tài)單元，且此過程不可逆；通過溫度及單元狀態(tài)兩個(gè)維度定義材料的物性特性，包括對(duì)激光的吸收率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度；