【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种slm多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法。
技术介绍
1、选区激光熔化(selective lasermelting，slm)是应用最广泛的金属增材制造技术之一。它由计算机控制，逐层沉积粉末，利用高能激光束将金属粉末完全熔化，经过快速冷却、凝固和成型，得到高密度、高精度的金属零件。slm具有自由度高、材料利用率高、加工周期短、复杂部件制造成本低等特点，已成功应用于航空航天、汽车、生物医药等多个行业。slm工艺过程在极短的时间内发生金属相变、熔池流动、传热、传质等复杂的物理化学冶金行为，并呈现出超高的冷却速率(105～106k/s)和温度梯度(105k/m)，这一过程的多物理场信息很难通过实验手段进行全面的原位监测。这使得slm零件的成形精度及力学性能预测和控制十分困难。计算机数值模拟可直接展示整个slm工艺成形过程中的动态物理作用，为探究slm成形过程和成形性能预测提供了新的思路和研究手段。数值模拟也成为了探究slm成形过程和成形机理的有力工具。近年来，逐步发展的高保真三维数值模型，可以模拟slm在粉体尺度下传热传质过程的快速演化，是揭示slm成形过程中熔池演变的有效途径。
2、然而，现有的slm仿真计算方法受到计算资源的限制，模型的计算域通常比较小，主要被建立用来研究介观尺度下slm过程中熔池的热动力学行为和特定熔道的形貌预测。多层slm的仿真计算方法也由于计算域的限制，只能连续计算2-3层，无法仿真计算的出slm宏观成形质量。
技术实现思路
1、
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种slm多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，该方法能够模拟出介观尺度下激光扫描的单层粉床熔融过程并准确预测熔池凝固后的熔道形貌，随后衔接下一层粉末床铺设并同样进行激光扫描的模拟，循环进行粉末床铺设和激光扫描以实现宏观尺度下多层slm成形件状态的仿真计算。
3、在本专利技术一实施例中，该方法具体为：基于离散元方法建立slm粉末床铺设的铺粉模型以得到slm单层粉末床的几何信息并输入到基于fluent软件建立的slm激光扫描过程的流体仿真计算模型，经过迭代计算后得到相应层slm激光扫描后的熔道几何形貌并提取出上表面作为下一层粉末床铺设的下边界重新进行粉末铺设仿真计算；新一层粉末铺设仿真计算完成后，将上一层仿真结果移出计算域，并导入新一层的粉末床几何模型并开始进行计算；计算完成后，通过后处理对多层slm熔道成形计算结果进行拼接。
4、在本专利技术一实施例中，该方法具体实现步骤如下：
5、s1、基于离散元方法dem建立slm粉末床铺设的铺粉模型；
6、s2、基于fluent建立slm激光扫描过程的流体仿真计算模型；
7、s3、多层slm模拟过程中计算结果随层移动的“移动帧算法”；
8、s4、多层slm计算完成后各层计算结果拼接并后处理构建多层的宏观成形质量。
9、在本专利技术一实施例中，步骤s1具体流程如下：
10、(1)初始化金属粉末颗粒的几何位置、尺寸，并给定一个随机的初始速度，包括初始水平速度和初始向下速度，粉末颗粒的尺寸根据实际slm所使用的粉末的粒径分布进行设置，粉末颗粒的初始位置以最大粉末直径为间隙在粉末床上方规整排列；
11、(2)确定粉末床铺设的区域边界，其中第一层粉末床铺设时的下边界为平面，后续层的下边界则为slm激光扫描后的上表面；
12、(3)根据粉末颗粒之间、粉末颗粒与边界之间的接触情况，计算粉末颗粒所受到的合力以及加速度，并加上重力加速度确定总的加速度；
13、(4)确定迭代时间步长，然后根据力-位移定律，计算迭代时间步长内的粉末颗粒位移并更新粉末颗粒的位置和速度；
14、(5)判断粉末床是否达到所需致密度，若是，则将符合要求的粉末颗粒的几何位置和尺寸信息输出至.txt文件中，若否，则重复步骤(3)和(4)。
15、在本专利技术一实施例中，粉末颗粒采用的材料为2205双相不锈钢，粉末颗粒的粒径符合正态分布，粒径范围为20-50μm，平均粒径为35μm。
16、在本专利技术一实施例中，步骤s2具体流程如下：
17、(1)建立计算域几何模型并划分正六面体网格；
18、(2)确定模拟slm的工艺参数；
19、(3)设置计算的初始条件，其中金属相的初始化是通过读入步骤s1中保存的粉末颗粒的几何位置和尺寸信息完成，其他初始化条件根据(2)的工艺参数和实际工况完成；
20、(4)迭代计算，在当前层的模拟仿真计算完成后，保存熔道成形结果layer_n为slm多层仿真计算结果的拼接和后处理做准备，同时提取上表面几何形貌为后续层的粉末床铺设做准备。
21、在本专利技术一实施例中，步骤s3中多层slm模拟过程中计算结果随层移动的“移动帧算法”的目的是在计算域尺寸中能够连续完成多层的slm仿真计算；计算结果的随层移动是将存在网格单元中的相比例信息即金属相整体向下移动为下一层的步骤s1和s2让出足够的计算域；步骤s1、s2和s3是一个循环的过程。从步骤s1到步骤s2，是粉末颗粒的几何位置和尺寸信息的传递；从步骤s2到步骤s1，是slm激光扫描后的上表面几何形貌信息的传递；步骤s3则是为了在计算域中持续进行步骤s1和s2，对计算结果进行的随层移动操作。
22、在本专利技术一实施例中，步骤s4具体流程如下：
23、首先，对各层的计算结果，按照指定网格单元遍历方式，依次全部遍历并逐个输出网格单元的金属相比例的值到.txt文件中；
24、然后，在建立的大计算域中从指定位置的网格开始，按照指定网格单元遍历方式遍历网格同时依次读取.txt文件中的金属相比例的值赋值给所遍历的网格单元的金属相比例，实现小计算域向大计算域复制网格单元信息；
25、最后，根据各层slm仿真计算结果的相对位置全部复制完成后，在后处理软件cfd-post中体现出多层的宏观成形形貌。
26、相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
27、(1)在专利技术专利申请方案中，本专利技术基于离散元方法建立slm铺粉模型和基于计算流体力学软件fluent建立slm激光扫描过程的流体仿真计算模型，并提出了两个模型循环利用时两个模型之间相互传输的数据内容，即从铺粉模型到fluent是粉末颗粒的几何位置和尺寸信息的传递，fluent到铺粉模型是slm激光扫描后的上表面几何形貌信息的传递。这是建立slm多层仿真计算方法的一种方式。
28、(2)在本专利技术专利申请方案中，利用“移动帧算法”对每一层slm的仿本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种SLM多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，该方法能够模拟出介观尺度下激光扫描的单层粉床熔融过程并准确预测熔池凝固后的熔道形貌，随后衔接下一层粉末床铺设并同样进行激光扫描的模拟，循环进行粉末床铺设和激光扫描以实现宏观尺度下多层SLM成形件状态的仿真计算。
2.根据权利要求1所述的一种SLM多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，该方法具体为：基于离散元方法建立SLM粉末床铺设的铺粉模型以得到SLM单层粉末床的几何信息并输入到基于Fluent软件建立的SLM激光扫描过程的流体仿真计算模型，经过迭代计算后得到相应层SLM激光扫描后的熔道几何形貌并提取出上表面作为下一层粉末床铺设的下边界重新进行粉末铺设仿真计算；新一层粉末铺设仿真计算完成后，将上一层仿真结果移出计算域，并导入新一层的粉末床几何模型并开始进行计算；计算完成后，通过后处理对多层SLM熔道成形计算结果进行拼接。
3.根据权利要求1或2所述的一种SLM多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，该方法具体实现步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种SLM多
5.根据权利要求4所述的一种SLM多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，粉末颗粒采用的材料为2205双相不锈钢，粉末颗粒的粒径符合正态分布，粒径范围为20-50μm，平均粒径为35μm。
6.根据权利要求3所述的一种SLM多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，步骤S2具体流程如下：
7.根据权利要求3所述的一种SLM多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，步骤S3中多层SLM模拟过程中计算结果随层移动的“移动帧算法”的目的是在计算域尺寸中能够连续完成多层的SLM仿真计算；计算结果的随层移动是将存在网格单元中的相比例信息即金属相整体向下移动为下一层的步骤S1和S2让出足够的计算域；步骤S1、S2和S3是一个循环的过程。从步骤S1到步骤S2，是粉末颗粒的几何位置和尺寸信息的传递；从步骤S2到步骤S1，是SLM激光扫描后的上表面几何形貌信息的传递；步骤S3则是为了在计算域中持续进行步骤S1和S2，对计算结果进行的随层移动操作。
8.根据权利要求3所述的一种SLM多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，步骤S4具体流程如下：
...【技术特征摘要】
1.一种slm多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，该方法能够模拟出介观尺度下激光扫描的单层粉床熔融过程并准确预测熔池凝固后的熔道形貌，随后衔接下一层粉末床铺设并同样进行激光扫描的模拟，循环进行粉末床铺设和激光扫描以实现宏观尺度下多层slm成形件状态的仿真计算。
2.根据权利要求1所述的一种slm多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，该方法具体为：基于离散元方法建立slm粉末床铺设的铺粉模型以得到slm单层粉末床的几何信息并输入到基于fluent软件建立的slm激光扫描过程的流体仿真计算模型，经过迭代计算后得到相应层slm激光扫描后的熔道几何形貌并提取出上表面作为下一层粉末床铺设的下边界重新进行粉末铺设仿真计算；新一层粉末铺设仿真计算完成后，将上一层仿真结果移出计算域，并导入新一层的粉末床几何模型并开始进行计算；计算完成后，通过后处理对多层slm熔道成形计算结果进行拼接。
3.根据权利要求1或2所述的一种slm多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，该方法具体实现步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种slm多层熔融过程与成形质量的仿真计算方法，其特征在于，步...
【专利技术属性】
技术研发人员：向红亮，周宇龙，吴潮潮，牟刚，黄晔，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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