【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属增减材制造领域，具体涉及一种基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法。
技术介绍
1、多主元合金作为一类新型合金，具有很多优于传统合金的性能(高强度、高硬度、高塑性和耐腐蚀性)，具备在特定工况下服役的潜力。
2、相对于传统制备方式，增材制造(additive manufacturing，简称am)代表了一种先进的金属加工技术，为制造高性能、高材料利用率及高生产效率的大尺寸结构多主元合金作零部件提供了一种新颖的方法。其中，激光定向能量沉积(laser directed energydeposition，简称lded)是一种重要的金属增材制造技术，它以高能量密度的激光为光源，熔化并沉积同步输送的金属粉末，实现金属样品的近净制造，成为制备多主元合金作新的技术方向，极大促进中高熵合金的应用。然而，激光定向能量沉积技术很难实现复杂型腔、内孔、内流道零件一体化成形。利用该技术成形的工件存在尺寸精度低、表面质量差，并且由于技术自身特点，沉积过程热历史复杂产生较高的温度梯度使得组织分布不均匀，构件内部复杂的热应力导致残余应力分布不均匀，从而使构件发生应力变形、翘曲、开裂等加工缺陷，无法达到零部件的设计尺寸精度和使用要求，进而影响金属构件的力学性能，这是增材制造急需解决的问题。
3、为了弥补这些缺陷，近几年发展了增材-减材复合制造技术，将激光同轴送粉和减材铣削集成复合在一台加工设备中，在构建具有几何和材料复杂性的构件中发挥显著作用，具有广泛的应用前景。增减材复合制造技术(additive-su
4、目前，激光定向能量沉积和减材铣削有限元模拟都很成熟，但是将上述两种方法结合起来进行有限元模拟计算涉及到静力学隐式分析到动力学显示分析的转换。此外，上述两种工艺的复合涉及热力学、流体力学以及材料学复合过程，在实验过程中变量难以控制，很难通过实验直观获得增减材复合全流程中任意时刻的温度与应力变化。
5、综上所述，如何有效地将激光定向能量沉积和减材铣削两个孤立的模拟进行结合等问题是目前本
人员急需解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种金属增减材残余应力预测的有限元数值模拟方法，可以有效解决激光定向能量沉积和铣削两个孤立有限元模拟过程结合的困难，实现增减材复合制造有限元模拟，解决了实验难以直观获得增减材复合制造全流程连续过程任意时刻温度场应力场分布、以及铣削工艺介入对增材制造中温度场及应力场分布的影响，进而为增减材复合制造全流程残余应力大小和分布提供理论基础，降低实验操作的复杂性和成本。本专利技术模拟方法适用于中熵合金、高温合金、高熵合金、钛合金等模型材料。本专利技术基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照以下步骤进行：
2、步骤一：在abaqus中建立激光定向能量沉积制备合金三维模型和减材铣削过程中所需的铣刀三维模型；
3、步骤二：激光定向能量沉积过程的创建和减材铣削过程的创建
4、(1)、激光定向能量沉积过程的创建
5、激光定向能量沉积过程的三维模型分别设置材料物性参数；定义截面赋予材料属性；将沉积层、基板层根据模拟过程依次进行装配；设置激光定向能量沉积过程分析步，并在output模块中选择重启动，将frequency设置为1，每一分析步都进行分析保存；设置边界条件；设置沉积层和基板层相互作用；设置施加载荷并将基板层下表面固定；对沉积层和基板层进行网格划分；
6、(2)、减材铣削过程的创建
7、减材铣削过程中的三维模型包括沉积层、基板层以及铣刀；将步骤一中激光定向能量沉积过程中的沉积层和基板层模型复制作为模型传递model-transmit；模型传递过程中实现沉积层和基板层的材料物性参数传递；根据模拟过程将沉积层、基板层和铣刀依次进行装配；由于三维模型进行传递，激光定向能量沉积过程属于静力学隐式分析，铣削过程属于动力学显示分析，需要删除模型传递model-transmit的分析步，选择dynamicexplicit重新创建分析步，设置时间周期，打开几何大变形；设置边界条件；重新定义沉积层、基板层和铣刀相互作用并对应施加载荷，创建预定义场predefined field，选择基板层和沉积层进行initial state设置；对铣削层区域进行网格细化；
8、步骤三：将创建的激光定向能量沉积过程利用abaqus中的standard计算模块求解，通过后处理模块visualization提取沉积层上表面到芯部区域的数据点，获得激光定向能量沉积过程中温度场及残余应力场分布；
9、步骤四：激光定向能量沉积和铣削工艺两者之间模拟复合设置
10、在步骤二设置激光定向能量沉积过程中分析步后，利用output模块中的重启动restart request将frequency设置为1，每一步都进行分析保存；步骤二(2)激光定向能量沉积模型传递model-transmit后，重新选择dynamic explicit创建分析步，通过预定义场模块predefined field中的initial state命令赋予减材铣削模型作为减材铣削时初始状态，利用load模块设置载荷状态，实现增减材工艺衔接；根据实际工况，在增减材复合制造过程中，由于实际设备中激光熔覆头和铣削刀具位置交换需要时间，采用有限元仿真软件进行激光定向能量沉积后的铣削模拟时需要考虑增材制造结束后进行减材制造的时机；
11、步骤五：增减材工艺衔接后进行减材铣削模拟过程模拟，激光定向能量沉积后进行减材铣削模拟过程时通过abaqus中的计算模块explicit求解获得减材铣削过程中的温度场及残余应力场，通过后处理模块visualization提取铣削层到沉积层区域路径的数据，获得减材铣削过程中温度场及残余应力场分布；
12、步骤六：将激光定向能量沉积后的温度场及残余应力场分布与激光定向能量沉积铣削后的温度场及残余应力场分布进行对比分析。
13、本专利技术的有益效果为：
14、本专利技术基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法将两种孤立的有限元模拟过程进行很好的结合，避免实际加工过程变量难以控制，减少了实验工作量。增减材复合制造工艺衔接模拟采用重新启动预定义场方式，将激光定向能量沉积模拟不同冷却时刻的温度和应力状态添加到减材铣削模拟上，极大降低计算量。增减材复合模拟考虑了减材铣削介入的时机，减材铣削工艺对零部件表面的应力状态有很大影响，选择合适的减材铣削介入时机有利于降低零部件表面残余应力的影响。增本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一中所述激光定向能量沉积制备合金三维模型由沉积层和基板层构成。
3.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一所述材料物性参数通过JMatPro计算相图软件得到。
4.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一中材料物性参数包括沉积层和基板层的密度、潜热、热导率、比热、热膨胀系数、屈服强度、杨氏模量和泊松比；材料物性参数为随温度变化的热物性参数和力学性能。
5.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一所述沉积层材料为中熵合金、高温合金、高熵合金或钛合金；步骤一所述基板层材料为45号钢。
6.根据权利要求1所述的基于有
7.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤二中所述铣刀为硬质合金铣刀，对铣刀三维模型赋予材料属性，对铣刀进行物性参数设置；对铣削刀具的刀具前角、后角、螺旋角及切削刃数目进行设置；对铣刀进行网格划分。
8.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤三中激光定向能量沉积过程中温度场及残余应力场的分布利用ABAQUS进行求解。
9.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤四中所述预定义场模块Predefined Field参数传递过程中，保证工件部分的元素类型和元素编号相同，文件名保持相同，模型在装配时命名相同。
10.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤五中通过Abaqus中的Explicit计算模块求解的过程为：创建分析作业生成INP文件，在INP文件中设置单元类型，生成新的INP文件，重启动及预定义场模块Predefined Field进行参数传递，将激光定向能量沉积300℃下温度状态与应力状态结果添加到减材铣削工艺上，文件名保持相同；将所需参数导入后设置所需要分析步及载荷施加；再次创建分析作业，同时调用新的INP文件，提交分析作业及后处理，最终得到减材铣削过程中的温度场及残余应力场。
...【技术特征摘要】
1.一种基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一中所述激光定向能量沉积制备合金三维模型由沉积层和基板层构成。
3.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一所述材料物性参数通过jmatpro计算相图软件得到。
4.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一中材料物性参数包括沉积层和基板层的密度、潜热、热导率、比热、热膨胀系数、屈服强度、杨氏模量和泊松比；材料物性参数为随温度变化的热物性参数和力学性能。
5.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤一所述沉积层材料为中熵合金、高温合金、高熵合金或钛合金；步骤一所述基板层材料为45号钢。
6.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应力的方法按照，其特征在于：步骤二所述铣削层区域为沉积层上表面，高度为2mm。
7.根据权利要求1所述的基于有限元模拟预测增减材复合制造过程中残余应...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄永江，王楠，岳伟，刘昌煜，李泽浩，宁志良，孙剑飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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