[发明专利]基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法，尤其是一种基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法。

背景技术

激光加工过程中，熔池的凝固行为对激光3D打印最终成形件的综合性能具有至关重要的影响。凝固速率过慢引起的晶粒粗化将极大地降低材料强度；凝固速率过快易造成制件内部微裂纹和孔隙等加工缺陷，导致制件使用过程中的提前失效。同时，伴随凝固行为产生的残余应力集中问题与制件尺寸精度和表面粗糙度有密切联系。

针对激光3D打印熔池凝固行为的数值模拟是一项涉及三维空间尺度和复杂物理冶金现象，包括质量、动量及热量等多重传递的综合性研究工作，以往对于激光3D打印熔池凝固行为的研究主要侧重于温度场，并通过对温度场数据的后期二次处理间接获得温度梯度、熔池凝固速率等数据，无法在时间和空间上实现对凝固行为的主动跟踪记录。通过人为后期二次处理间接获得热物理数据，易存在数据点捕捉不准确，数据精度差等缺点，不利于对3D打印熔池凝固行为作精确分析。同时，激光3D打印过程具有高温熔化粉体并伴随有熔池快速冷却的特点，实验观测-记录-分析熔池凝固行为是不易实现的，但熔池凝固过程中涉及的温度场、温度梯度、熔池凝固速率等直接影响成形件服役性能，良好的凝固行为可削弱应力累积，并实现残余应力的合理分布，有效降低成形件内部微裂纹和孔隙的产生，避免制件在承载过程中提前失效。目前，尚无工程可用的基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为模拟操作程序。。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法。

为实现以上的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法，包括如下步骤：

第一步骤：3D打印三维有限元模型的建立

在有限元模拟软件中建立工件的计算几何模型以及定义工件的材料属性，并对工件进行网格划分，最终获得工件的三维有限元模型；

第二步骤：控制方程的建立

针对第一步建立的三维有限元模型，建立控制方程；所述的控制方程为三维热传导方程，同时根据前述的三维有限元模型，设置三维热传导方程的初始条件、边界条件；

第三步骤：3D打印温度场计算

根据第二步骤设置的初始条件以及边界条件，采用牛顿-拉普森方法计算三维热传导方程，得到在三维有限元模型的不同位点施加高斯热源时，三维有限元模型中各网格节点在3D打印过程中随时间变化的温度T，即得到三维有限元模型的温度场；

在求解三维热传导方程的过程中，当某网格节点在当下计算步所得到的温度T的数值不小于材料熔点时，记该网格节点温度为T₂，并触发3D打印熔池的凝固速率模型，并根据该凝固速率模型计算出熔池凝固速率v_coo：

vcoo=T2-T1t]]>

其中：T₁为同一节点前一计算步得到的温度值，t为三维热传导方程计算时所设置的时间步长。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明利用计算机模拟激光3D打印过程，采用本发明的激光3D打印有限元模型，实现了对加工过程中熔池凝固行为在时间和空间上的主动跟踪记录，能够更加准确地捕捉节点信息，记录热物理数据，进而分析并掌握激光3D打印过程熔池凝固行为，从而建立工艺-凝固行为-组织-性能之间的对应关系，为制定和优化复合材料加工工艺，改善3D打印成形件综合性能提供理论指导。

2.本发明通过数值模拟、材料学和材料热力学等多学科相结合，同时考虑了激光加工过程中粉体-连续固体-相变-凝固问题作用，通过对温度场模型求解，并主动跟踪计算相应点的凝固速率，准确获得了加工过程中的熔池凝固行为，计算结果与实验结果相吻合

附图说明：

图1为一种基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为计算方法流程图。