CN113139314A - 一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法，属于工艺热源数值模拟技术领域，包括以下步骤：确定工艺熔池区域的关键参数；构建初始热源数值模型；计算得到关于激光增材制造工艺热源计算温度分布以及关于热源的几何形貌尺寸；对初始热源数值模型中的关键参数进行校核，得到优化后的热源数值模型；根据所述优化后的热源数值模型，模拟得到关于热源的几何形貌尺寸。本发明通过以上设计，实现对各种不同厚度和零件尺寸的激光增材工艺成形数值计算，不仅能提高计算效率并且还具有流程化的优点，还能最大程度地提高激光增材制造中工艺温度场数值模拟热源模型建立的准确性。

Description

一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法

技术领域

本发明属于工艺热源数值模拟技术领域，尤其涉及一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法。

背景技术

增材制造是通过控制材料逐层堆积实现三维零件的制造的工艺，与传统的制造方式相比，增材制造无需昂贵的模具，可以大大缩短研发周期和制造成本，并能制造形状更加复杂的零件。针对该工艺设计与优化目前国内还主要依赖经验和多次试验验证，而国外则偏向于基础研究和工艺数值模拟。随着数值模拟技术和增材制造工艺的发展与提升，为了更好地评估制造工艺的应力应变分布，对于制造过程温度场模拟的精确度要求越来越高。因此，合理的热源模型及计算流程是实现增材制造工艺过程模拟的基础条件和重要保证。

增材制造热循环历程重复而又复杂，数值模拟可作为有效技术手段进行增材过程热-力行为的分析研究，而热源模型的准确性是增材制造数值模拟成功的关键。目前增材制造工艺数值模拟过程，对热源的模拟都是用通用热源模型或能量函数来进行简化和替代，缺乏***性地表征和构建，计算精度和效率较低，无法满足增材制造工艺数值计算需要。综上，增材制造工艺热源模拟是目前工程和科学界研究的难点和重点。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于激光增材制造的工艺热源数值确模拟方法，不仅能提高计算效率并且还具有高效稳定性的优点。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法，包括以下步骤：

S1、基于激光增材制造零部件温度场分布形状，确定工艺熔池区域的关键参数；

S2、基于激光增材制造工艺特征和热源影响区域的几何分布结构，构建初始热源数值模型；

S3、根据所述初始热源数值模型，计算得到关于激光增材制造工艺热源计算温度分布以及关于热源的几何形貌尺寸；

S4、根据步骤S1得到的工艺熔池区域的关键参数与所述步骤S3的计算结果，对初始热源数值模型中的关键参数进行校核，得到优化后的热源数值模型；

S5、将步骤S3的计算步骤代入所述优化后的热源数值模型进行热源几何形貌尺寸计算，完成热源数值的模拟。

本发明的有益效果是：本发明针对激光增材制造工艺特点和数值模拟计算需要创新性地发明针对该种工艺的热源数值计算模型，并定义工艺模型热源计算流程，使其能构建精确的热源计算模型并能够应用于激光增材制造工艺中，实现对各种不同厚度和零件尺寸的激光增材工艺成形数值计算，该热源数值模型与计算流程，不仅能提高计算效率并且还具有流程化的优点，并能够最大程度地提高激光增材制造中工艺温度场数值模拟热源模型建立的准确性。

进一步地，所述步骤S2中热源数值模型的表达式如下：

其中，Q表示热源数据模型，Q₀表示初始最大输入能量密度，r_i和r_e表示底端和上端面半径，r和R分别表示激光增材粉末和热源半径，z_i和z_e分别表示底端和上端坐标值，x,y,z表示移动沿三个方向的坐标值，t表示时间，h表示熔池区域的高度，y_t+Δt、y_t、z_t+Δt和z_t分别为t+Δt和t时刻y和z方向坐标值，x_t+Δt和x_t分别表示t+Δt和t时刻x方向坐标值，C表示上端热源能量分布系数，r表示上端热源半径。

上述进一步方案的有益效果是：定义了与试件板厚和打印位置相关的激光增材制造工艺数值模拟热源模型。

再进一步地，所述步骤S3中几何形貌尺寸的表达式如下：

其中，h_solver和w_solver分别表示计算所得熔池深度和宽度，λ表示材料热导率，A表示试件截面面积，t表示时间，Q表示热源能量，T_h，T_w，T₀分别表示在熔深方向和熔宽方向某一点的温度，即熔深和熔宽初始温度。

上述进一步方案的有益效果是：利用所定义的激光增材制造工艺数值模拟热源模型计算了温度场并且确定了所计算的熔池深度和宽度值。

再进一步地，所述步骤S4中进行校核的方程为：

h_solver＝h×k_h

w_solver＝w×k_w

其中，h_solver和w_solver分别表示计算所得熔池深度和宽度，k_h和k_w分别表示熔深和熔宽敏感系数，h表示实测熔池深度，w表示实测熔池宽度。

上述进一步方案的有益效果是：利用所定义的激光增材制造工艺数值模拟热源模型计算的熔池深度和宽度值与实测结果进行对比，获得熔池深度和宽带方向的修改系数。

再进一步地，所述步骤S4中优化后的热源数值模型的表达式如下：

其中，Q'表示修改后的热源数值模型，Q₀表示初始最大输入能量密度，r_i和r_e表示底端和上端面半径，r和R分别表示激光增材粉末和热源半径，z_i和z_e分别表示底端和上端坐标值，x,y,z表示移动沿三个方向的坐标值，t表示时间，h表示熔池区域的高度，y_t+Δt、y_t、z_t+Δt和z_t分别为t+Δt和t时刻y和z方向坐标值，x_t+Δt和x_t分别表示t+Δt和t时刻x方向坐标值，C表示上端热源能量分布系数，r表示上端热源半径，k_h和k_w分别表示熔深和熔宽敏感系数。

上述进一步方案的有益效果是：根据与实测值获得的修正系数进一步对激光增材制造工艺数值模拟热源模型进行了修改，获得了用于激光增材制造工艺的热源优化数值模型。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本实施例中热源模型示意图。

图3为本实施例中底部热源模型示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

基于现有技术的不足，本发明针对激光增材制造工艺特点和数值模拟计算定义工艺模型热源及其计算流程，使其能够应用于激光增材制造工艺中并适应各种不同厚度和零件尺寸的工艺成形数值计算，本方法不仅能提高计算效率并且还具有高效稳定性的优点，如图1所示，包括以下步骤：

S1、基于激光增材制造零部件温度场分布形状，确定工艺熔池区域的关键参数；

本实施例中，如图2所示，关键参数包括熔池深度(h)，熔池下端宽度(w₁)和上端宽度(w₂)。

S2、基于激光增材制造工艺特征和熔池区域的几何分布结构，构建初始热源数值模型，具体表达式如下所示：

Q＝Q_down+Q_top (1)

其中，Q为整体热源；Q_down为底部热源；Q_top为上端热源。

根据激光增材制造工艺过程，实际的底端热源Q_down呈现三维热源特征，如图3所示，同时该局部热源又与打印速度和空间位置相关，因此其函数表达式为：

其中，Q₀为初始最大输入能量密度；x,y,z为热源移动沿三个方向的坐标值；r₀为底端热源名义半径；r_i，r_e分别为底端和上端面半径；z_i和z_e分别为热源底端和上端坐标值；f(x,y,z,v)为激光增材制造工艺热源系数；r和R分别为激光增材粉末和热源半径；h表示熔池区域的高度；t为时间；x_t+Δt和x_t分别为t+Δt和t时刻x方向坐标值；y_t+Δt、y_t、z_t+Δt、z_t分别为t+Δt和t时刻y和z方向坐标值；C为上端热源能量分布系数；r为上端热源半径。

综上，初始热源数值模型为：

S3、根据所述初始热源数值模型，计算得到关于激光增材制造工艺热源计算温度分布以及关于热源的几何形貌尺寸；

本实施例中，把公式(6)离散带入有限元软件中或编程进行计算，获得关于激光增材制造工艺热源计算温度分布，完成增材制造工艺热源计算，获得关于热源几何形貌尺寸，比如熔深、熔宽等，其中：

其中，h_solver和w_solver分别为计算所得熔池深度和宽度；λ为材料热导率；A为试件截面面积；t为时间；Q为热源能量；T_h，T_w，T₀分别为在熔深方向和熔宽方向某一点的温度，及熔深和熔宽初始温度。

S4、根据步骤S1得到的工艺熔池区域的关键参数与所述步骤S3的计算结果，对初始热源数值模型中的关键参数进行校核，得到优化后的热源数值模型；

本实施例中，熔深尺寸校核：根据公式(6)的计算结果获得材料焊接过程熔池深度，然后与步骤S1中试验获得的标准熔深对比，若小于，则说明模拟热源尺寸在深度方向即Z方向能量或尺寸不够，需要再增大；若大于，则说明模拟热源尺寸在深度方向即Z方向能量或尺寸过高，需要降低。

本实施例中，熔宽尺寸校核：根据公式(6)的计算结果获得材料焊接过程熔池宽度，然后与S1中试验获得的标准熔宽对比(步骤S1中的关键参数是指熔池尺寸，包括熔池区高度(h)，下端宽度(w₁)和上端宽度(w₂))，若小于，则说明模拟热源尺寸在宽度方向即X方向能量或尺寸不够，需要再增大；若大于S1结果，则说明模拟热源尺寸在宽度方向即X方向能量或尺寸过高，需要降低。

本实施例中，根据关于熔池深和熔池宽尺寸的确定，可以综合获得熔深与熔宽综合对比组合，设立方程如下所示：

h_solver＝h×k_h

w_solver＝w×k_w

其中，k_h和k_w分别为熔深和熔宽敏感系数。因此，经过优化计算后，方程(6)可表达为：

本实施例中，利用步骤S1中得到的实际热源几何形貌尺寸与计算结果进行比对分析，进行激光增材制造热源模型中关键参数校核，完善和精确热源数值计算模型。

S5、将步骤S3的计算步骤代入所述优化后的热源数值模型进行热源几何形貌尺寸计算，完成热源数值的模拟。

本发明针对激光增材制造工艺特点和数值模拟计算创新性地发明针对该种工艺的热源数值计算模型，并定义工艺模型热源计算流程，使其能构建精确的热源计算模型并能够应用于激光增材制造工艺中，实现对各种不同厚度和零件尺寸的激光增材工艺成形数值计算，该热源数值模型与计算流程，不仅能提高计算效率并且还具有流程化的优点，并能够最大程度地提高激光增材制造中工艺温度场数值模拟热源模型建立的准确性。

Claims (5)

1.一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于激光增材制造零部件温度场分布形状，确定工艺熔池区域的关键参数；

S2、基于激光增材制造工艺特征和熔池区域的几何分布结构，构建初始热源数值模型；

S3、根据所述初始热源数值模型，计算得到关于激光增材制造工艺热源计算温度分布以及关于热源的几何形貌尺寸；

S4、根据步骤S1得到的工艺熔池区域的关键参数与所述步骤S3的计算结果，对初始热源数值模型中的关键参数进行校核，得到优化后的热源数值模型；

S5、将步骤S3的计算步骤代入所述优化后的热源数值模型进行热源几何形貌尺寸计算，完成热源数值的模拟。

2.根据权利要求1所述的用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中热源数值模型的表达式如下：

其中，Q表示热源数据模型，Q₀表示初始最大输入能量密度，r_i和r_e表示底端和上端面半径，r和R分别表示激光增材粉末和热源半径，z_i和z_e分别表示底端和上端坐标值，x,y,z表示移动沿三个方向的坐标值，t表示时间，h表示熔池区域的高度，y_t+Δt、y_t、z_t+Δt和z_t分别为t+Δt和t时刻y和z方向坐标值，x_t+Δt和x_t分别表示t+Δt和t时刻x方向坐标值，C表示上端热源能量分布系数，r表示上端热源半径。

3.根据权利要求1所述的用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中几何形貌尺寸的表达式如下：

其中，h_solver和w_solver分别表示计算所得熔池深度和宽度值，λ表示材料热导率，A表示试件截面面积，t表示时间，Q表示热源能量，T_h，T_w，T₀分别表示在熔深方向和熔宽方向某一点的温度，即熔深和熔宽初始温度。

4.根据权利要求1所述的用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中进行校核的方程为：

h_solver＝h×k_h

w_solver＝w×k_w

其中，h_solver和w_solver分别表示计算所得熔池深度和宽度，k_h和k_w分别表示熔深和熔宽敏感系数，h表示熔池区域的高度，w表示熔池区域的宽度。

5.根据权利要求1所述的用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中优化后的热源数值模型的表达式如下：

其中，Q'表示修改后的热源数值模型，Q₀表示初始最大输入能量密度，r_i和r_e表示底端和上端面半径，r和R分别表示激光增材粉末和热源半径，z_i和z_e分别表示底端和上端坐标值，x,y,z表示移动沿三个方向的坐标值，t表示时间，h表示熔池区域的高度，y_t+Δt、y_t、z_t+Δt和z_t分别为t+Δt和t时刻y和z方向坐标值，x_t+Δt和x_t分别表示t+Δt和t时刻x方向坐标值，C表示上端热源能量分布系数，r表示上端热源半径，k_h和k_w分别表示熔深和熔宽敏感系数。

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