[发明专利]一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法

权利要求书

1.一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1，选取SLM加工工艺参数，在流体分析软件中采用自定义函数的方法对工艺参数进行编译；

Step2，通过对金属粉末进行激光渗透照射实验，分析得出金属粉末层激光吸收率及激光渗透系数，同时区别金属粉末与固/液态材料属性，并依据SLM构件尺寸建立可逐层激活单元的仿真模型；

Step3，在构件基体底部加载固定环境温度，在与金属粉末接触各表面设置绝缘，在加热面设置表面张力，同时根据加热面的相态，决定对其加载体热源或面热源；

Step4，在确定时间步长和步数基础上，通过瞬态热分析得到SLM构件的温度场；

Step5，根据材料力学属性修改SLM构件力学模型并利用生死单元法控制SLM单元力学属性；

Step6，对SLM构件力学模型底部添加位移约束，并在力学分析模型上加载步骤Step4所得温度场，利用有限元分析方法得到构件的应力场及变形；

所述步骤Step4中，具体包括以下步骤：由网格尺寸与激光扫描速度的比值确定时间步长，根据实际工况所需时间确定步数，逐层激活模型中的单元，借助CFD工具，考虑构件材料相态变化、熔融状态下的金属液体对流效应和液态金属表面张力的作用对温度分布的影响，利用有限体积法计算热平衡方程得到瞬态SLM构件节点上的温度及热流密度，从而分析材料相态变化、熔池成型过程以及SLM构件各时刻温度分布情况。

2.如权利要求1所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step1中，所述工艺参数具体包括：激光种类、激光热源分布方式、激光功率、扫描速度、激光有效作用半径、环境温度、分层层厚、扫描方向、扫描长度、扫描间距及各层扫描方向夹角。

3.如权利要求1所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step2中，材料属性具体包括：凝固/液化温度、潜热、粘性、放射率、对流系数、孔隙率、密度、导热系数及比热容，其中，密度、导热系数和比热容与材料实时温度相关。

4.如权利要求3所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step2中，区别金属粉末与固/液态材料属性机制为：通过分析SLM构件微观组织温度历程，判断其此时所处相态，从而赋予金属粉末材料属性或固/液态材料属性，其中，金属粉末与固/液态材料属性的比值与孔隙率相关。

5.如权利要求4所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step2中，所述依据SLM构件尺寸建立可逐层激活单元的仿真模型，具体包括以下步骤：根据SLM构件尺寸，建立实体模型，并基于有限体积法结合分层厚度及计算精度要求，对其进行网格划分，并且结合SLM逐层加工的特点，对单元进行逐层激活。

6.如权利要求1所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step3中，所述根据加热面的相态，决定对其加载体热源或面热源，具体包括以下步骤：分析加热面各微粒温度变化，判断其表面是否发生相变，对金属粉末部分加载体热源，对固/液态金属表层加载面热源。

7.如权利要求1所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step5中，所述力学属性包括：密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数及屈服应力，这些参数均与材料实时温度相关。

8.如权利要求7所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step5中，所述利用生死单元法控制SLM单元力学属性，具体包括以下步骤：判断SLM单元温度是否达到液化温度，利用生死单元法逐步激活单元，并对其赋予力学属性。

9.如权利要求1所述的一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，其特征在于：所述步骤Step6中，所述在力学分析模型上加载步骤Step4所得温度场，利用有限元分析方法得到构件的应力场及变形，具体包括以下步骤：以步骤Step4中得到的温度结果作为载荷输入，利用有限元分析方法计算热弹性力学平衡公式得到SLM模型各时刻应力及应变分布情况，从而得出SLM构件各个方向的残余应力、应变及翘曲变形。