CN113343521A - 基于comsol预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，所述方法包括如下步骤：S1：基于COMSOL构建三维固体传热和结构力学瞬态模型；S2：确定仿真过程中的参数；S3：确定待熔化的粉末的材料属性；S4：确定移动高斯热源参数；S5：构建粉床的几何模型；S6：实现选区激光熔化的逐层制造；S7：网格划分并计算节点温度；S8：根据步骤S7的结果预测层间热应力分布和残余热应力分布。本方法通过移动的高斯热源模，模拟加工过程中的激光热源效果，并利用均匀的材质粉床来代替粉末床；此外，利用结构力学模块模拟随着热源移动时，该层产生的热应力以及制件变形情况，模拟选区激光熔化技术逐层制造的过程，实现多层间热应力、残余热应力的预测。

Description

基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法

技术领域

本发明涉及热应力分布技术领域，尤其涉及一种基于COMSOL预测选区激光熔化技术中层间热应力分布的方法。

背景技术

选区激光熔化技术是基于材料离散-逐渐累加方式制造实体零件的近净成形技术。该技术通常以金属粉末为原料,通过三维模型预分层处理设定激光扫描路径,采用高能量激光束按照设定的扫描路径逐层熔化金属粉末,使其快速凝固、堆积而形成高性能构件。在激光熔化技术过程中,金属材料经历快速加热、凝固和冷却过程,在此过程中会形成较大的热应力以及由固态相变引起的组织应力。这些应力在成形结束后残留在工件内部而成为残余应力。若残余应力超过材料本身的屈服强度,成形件就会发生变形,导致尺寸精度及使用性能的降低。因此,增材制造金属零部件的变形一直是国内外增材制造领域的研究热点之一。现有的预测激光熔化技术制造过程中层间热应力的方法有体积热源方法，即每一层生成一个切片实体，并且带有体积热源，以此来预测层间的热应力的分布，如现有的ANSYS新增的增材制造板块。但是以这种体积热源加载到每一层切片层上，只能预测层与层间的热应力分布，并不能准确预测在每一层上单道扫描累计出现热应力的分布。

因此，亟需一种能准确预测在每一层上单道扫描累计出现热应力的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：基于COMSOL构建三维固体传热和结构力学瞬态模型；

S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括扫描间隔D_spot、激光扫描速度v_spot、激光功率P_laser、激光半径r_spot、表面辐射率A_Gass、粉末堆积率w_powder和粉末层厚thickness；

S3：确定待熔化的粉末的材料属性，所述材料属性包括热导系数、比热容、材料密度、热膨胀系数、杨氏模量以及泊松比；

S4：确定移动高斯热源参数，所述移动高斯热源参数包括移动高斯热源数量，以及各个移动高斯热源使用与时间相关的差值函数；

S5：构建粉床的几何模型，并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定固体力学节点下的边界条件；

S6：实现选区激光熔化的逐层制造；

S7：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、应力和应变；通过网格划分通过能量守恒和应力平衡确定节点的温度、应力和应变。

S8：根据步骤S7的结果预测层间热应力分布和残余热应力分布。

进一步，步骤S3还包括将待熔化的粉末材料在粉床上堆积的形状进行预处理，即对粉末松装密度进行预处理，所述预处理用于将粉末堆积的粉床近似为一个长方体。

进一步，所述粉末松装密度的取值范围为40％-60％。

进一步，所述粉末松装密度为50％。

进一步，步骤S4中移动高斯热源数量根据切片形状、扫描间距和激光半径决定，使其一次平铺扫描能覆盖目标切片形状。

进一步，步骤S4中的差值函数采用如下方法确定：

x_focus＝x_f1(t) (1)

其中，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，x_f1(t)表示使高斯热源移动的x方向的函数；

y_focus＝y_f1(t) (2)

其中，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点，y_f1(t)表示使高斯热源移动的y方向的函数，；

r_focus＝sqrt((x-x_focus)∧2+(y-y_focus)∧2) (3)

其中，r_focus表示高斯热源的焦点，所述焦点由x向和y向高斯热源的焦点决定，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点；

Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot∧2))*exp(-2*r_focus∧2)/r_spot∧2)(4)

其中，Flux表示高斯热源的热通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光热源，pi表示π，r_spot表示激光半径，r_focus表示高斯热源的焦点。

本发明的有益技术效果：本方法通过移动的高斯热源模，考虑材料的相变，材料表面的热辐射与自然对流对于温度场的影响，模拟加工过程中的激光热源效果，并通过对材料属性进行近似处理，利用均匀的材质粉床来代替粉末床；此外，利用结构力学模块模拟随着热源移动时，该层产生的热应力以及制件变形情况，最后利用激活的方法，模拟选区激光熔化技术逐层制造的过程，实现多层间热应力、残余热应力的预测，以及后层的激光作用效果对于前层的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本申请的流程图。

图2为本申请的网格剖分图。

图3为本申请的温度场和应力场示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供一种基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：如图1所示，

S1：基于COMSOL构建三维固体传热和结构力学瞬态模型；

S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括扫描间隔D_spot、激光扫描速度v_spot、激光功率P_laser、激光半径r_spot、表面辐射率A_Gass、粉末堆积率w_powder和粉末层厚thickness；

S3：确定待熔化的粉末的材料属性，所述材料属性包括热导系数、比热容、材料密度、热膨胀系数、杨氏模量以及泊松比；

S4：确定移动高斯热源参数，所述移动高斯热源参数包括移动高斯热源数量，以及各个移动高斯热源使用与时间相关的差值函数；

S5：构建粉床的几何模型，并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定固体力学节点下的边界条件；

所述几何模型的初始条件、边界热源条件和确定固体力学节点下的边界条件如下：

固体传热

1.为模拟基板预热效果，所有的初始温度定义为35degC，模型所有表面定义传热系数为80W/(m2·K)，对流热通量的边界条件模拟加工过程中风场对于加工的影响。

2.其次，激光作用的材料表面定义为表面对环境辐射的边界条件，模拟在移动的高斯热源作用下，高温材料表面与环境的热交换过程。

3.接着，对于每一层材料定义一个与时间有关的高斯热源，以模拟热源的加载。

固体力学

1.对基板底面施加一个固定约束的边界条件，防止在此方向的变形。

2.对于受激光作用的材料添加热膨胀节点。

3.为了实现逐层制造，使用与时间相关的活化表达式，活化比例因子设为1e-5。

S6：实现选区激光熔化的逐层制造；每一层使用“zigzag”的扫描策略，共三道，来模拟激光的连续加工，其中每一层激光作用的总时长为t_x＝0.00116s，并考虑0.2*t_x的冷却时间，而后激活第下一层粉床。

S7：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、应力和应变；通过网格划分通过能量守恒和应力平衡确定节点的温度、应力和应变。本申请的方法是一种建模，固对于模型进行了简单的网格划分，以实现相应的效果。下图为网格剖分图，以及逐层制造的顺序。如图2所示。

S8：根据步骤S7的结果预测层间热应力分布和残余热应力分布。如图3所示。步骤S8利用COMSOL软件的“后处理”的功能，根据目标物理量来表征结果。步骤S7将利用有限元对粉床进行分割，即化整为零，并确定每个节点的温度、应力和应变，步骤S8将各个节点的计算结果集零为整，从粉床的整体角度通过软件后处理功能获得粉床的温度、应力和应变，从而实现层间热应力和残余热应力的预测。如以应力为例，我们在结果节点下建立三维应力查看节点，输入表达式即可得到想要的结果，同理可查看温度和应变大小，在此不再赘述。

上述技术方案通过移动的高斯热源模，考虑材料的相变，材料表面的热辐射与自然对流对于温度场的影响，模拟加工过程中的激光热源效果，并通过对材料属性进行近似处理，利用均匀的材质粉床来代替粉末床；此外，利用结构力学模块模拟随着热源移动时，该层产生的热应力以及制件变形情况，最后利用激活的方法，模拟选区激光熔化技术逐层制造的过程，实现多层间热应力、残余热应力的预测，以及后层的激光作用效果对于前层的影响。

在本实施例中，步骤S3还包括将待熔化的粉末材料在粉床上堆积的形状进行预处理，即对粉末松装密度进行预处理，所述预处理用于将粉末堆积的粉床近似为一个长方体。因为本申请的方法用于预测层间热应力，不能将熔化过程这一物理现象表征出来，故本申请利用熔化后的较为规则的粉床来预测热应力，将粉床视为规则的长方体是为了近似处理和降低计算难度。

在本实施例中，所述粉末松装密度的取值范围为40％-60％。所述粉末松装密度为50％。在粉床建模过程中，成百上千的粉球堆积在粉床上，粉末球与粉末球之间存在孔隙，松装密度反应了粉床的孔隙率，在本实施例中取松装密度为50％，用以仿真模拟粉末床堆积效果。

在本实施例中，步骤S4中移动高斯热源数量根据切片形状、扫描间距和激光半径决定，使其一次平铺扫描能覆盖目标切片形状。如用一个算例展示高斯热源数量的确定：每一层粉床按照规则模型建模，高斯热源扫描的长度和次数取决于每一层切片形状，本申请的切片为一个规则长方形，在预设的扫描间距、激光半径下，三次扫描即可扫描出本案例中规则的长方体。本领域技术人员可根据实际切片、扫描间距和激光半径来确定高斯热源数量。

在本实施例中，步骤S4中的差值函数采用如下方法确定：

x_focus＝x_f1(t) (1)

其中，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，x_f1(t)表示使高斯热源移动的x方向的函数；

y_focus＝y_f1(t) (2)

其中，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点，y_f1(t)表示使高斯热源移动的y方向的函数，；

r_focus＝sqrt((x-x_focus)∧2+(y-y_focus)∧2) (3)

其中，r_focus表示高斯热源的焦点，所述焦点由x向和y向高斯热源的焦点决定，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点；

Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot∧2))*exp(-2*r_focus∧2)/r_spot∧2)(4)

其中，Flux表示高斯热源的热通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光热源，pi表示π，r_spot表示激光半径，r_focus表示高斯热源的焦点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：基于COMSOL构建三维固体传热和结构力学瞬态模型；

S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括扫描间隔D_spot、激光扫描速度v_spot、激光功率P_laser、激光半径r_spot、表面辐射率A_Gass、粉末堆积率w_powder和粉末层厚thickness；

S3：确定待熔化的粉末的材料属性，所述材料属性包括热导系数、比热容、材料密度、热膨胀系数、杨氏模量以及泊松比；

S4：确定移动高斯热源参数，所述移动高斯热源参数包括移动高斯热源数量，以及各个移动高斯热源使用与时间相关的差值函数；

S5：构建粉床的几何模型，并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定固体力学节点下的边界条件；

S6：实现选区激光熔化的逐层制造；

S7：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、应力和应变；通过网格划分通过能量守恒和应力平衡确定节点的温度、应力和应变。

S8：根据步骤S7的结果预测层间热应力分布和残余热应力分布。

2.根据权利要求1所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：步骤S3还包括将待熔化的粉末材料在粉床上堆积的形状进行预处理，即对粉末松装密度进行预处理，所述预处理用于将粉末堆积的粉床近似为一个长方体。

3.根据权利要求2所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：所述粉末松装密度的取值范围为40％-60％。

4.根据权利要求3所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：所述粉末松装密度为50％。

5.根据权利要求1所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：步骤S4中移动高斯热源数量根据切片形状、扫描间距和激光半径决定，使其一次平铺扫描能覆盖目标切片形状。

6.根据权利要求1所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：步骤S4中的差值函数采用如下方法确定：

x_focus＝x_f1(t) (1)

其中，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，x_f1(t)表示使高斯热源移动的x方向的函数；

y_focus＝y_f1(t) (2)

其中，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点，y_f1(t)表示使高斯热源移动的y方向的函数，；

r_focus＝sqrt((x-x_focus)^2+(y-y_focus)^2) (3)

其中，r_focus表示高斯热源的焦点，所述焦点由x向和y向高斯热源的焦点决定，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点；

Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(-2*r_focus^2)/r_spot^2) (4)

其中，Flux表示高斯热源的热通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光热源，pi表示π，r_spot表示激光半径，r_focus表示高斯热源的焦点。

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