[发明专利]复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法

权利要求书

1.一种复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法，所述的复杂特征结构件为堆积层生长方向与基板上表面法线方向之间成锐角的结构件，其特征在于按以下步骤进行：

步骤一：堆积复杂特征结构件：堆积过程在基板表面进行，焊枪在垂直于堆积方向的平面内的投影与基板上表面法线方向的夹角为β，0°β≤78°，焊枪轴线与堆积方向的夹角为λ，λ的取值范围为90°-150°，堆积开始前，移动焊枪并保证：焊枪轴线与基板上表面的交点、和焊枪喷嘴末端的距离为D，包括以下两种复杂特征结构件的堆积方案；

a)如果复杂特征结构件为多层单道：引燃电弧，焊枪沿着第一层堆积路径移动，完成第一层的堆积，然后将焊枪沿其轴线方向抬高h，进行第二层的堆积，h为沿轴线的长度，重复上述过程直至堆积结束，堆积过程中对基板上表面靠近第一层的点进行测温，记录测温位置和测温结果；

b)如果复杂特征结构件为多层多道：引燃电弧，焊枪沿着第一层第一道堆积路径移动，完成第一层第一道的堆积后，横向移动焊枪，保证第一层第二道堆积路径与第一层第一道堆积路径的间距为S₁，S₁的取值范围为3.5-8.5mm，然后焊枪沿着第一层第二道堆积路径移动，重复上述过程，继续堆积第一层第三道、第四道，直至第一层堆积结束，第二层所有堆积道相对于第一层所有堆积道整体横向偏移S₂，S₂＝H·tanβ，H为第一层堆积层高度，0mmS₂≤11mm，将焊枪先沿其轴线方向抬高h，再横向平移至第二层第一道堆积路径起点处，移动完成后，进行第二层第一道的堆积；第二层第一道堆积结束后，横向移动焊枪，保证第二层第二道堆积路径与第二层第一道堆积路径的间距为S₁，然后焊枪沿第二层第二道堆积路径移动，用同样的方法继续堆积第二层第三道、第四道，直至第二层堆积结束；重复上述过程，完成剩余层的堆积；堆积过程中对基板上表面靠近第一层第一道的点进行测温，记录测温位置和测温结果；

步骤二：建立计算热场的有限元模型：在有限元软件中对复杂特征结构件和基板进行几何建模并生成网格；设定结构件和基板的材料热物理性能参数，确定每一道的堆积方向和填充区域，并设置初始条件及散热边界条件；

步骤三：选择广义双椭球热源作为模拟复杂特征结构件堆积过程的热源模型，其前半椭球及后半椭球热流密度分布公式分别为：

上述公式中，Q为热输入，Q＝ηUI,η为热源效率，U为电弧电压，I为电流，f_f与f_r分别为热输入在前后半椭球的热量分布系数，a，b，c为热源形状参数，其中a为椭球半宽，b为椭球深度，c_f与c_r分别为前后椭球半轴长，θ、γ、λ分别为焊枪轴线与参考坐标系X、Y、Z轴的夹角；

步骤四：编写广义双椭球热源程序：为实现热源在不同堆积道的运动，通过坐标变换公式保证坐标系原点与堆积道起始点重合，Z轴正方向与堆积方向一致，然后将焊枪轴线与各坐标轴所成的夹角代入步骤三中的广义双椭球热源热流密度分布公式，热源程序编写完成后，生成驱动外部计算文件；

步骤五：完成复杂特征结构件热场的计算，验证有限元模型的正确性：设定每道堆积道的计算时间步长并加载边界条件，读取热源驱动外部计算文件，最后提交分析文件，计算完成后，提取基板表面与实验测量相同点的温度变化曲线，将计算获得的温度变化曲线与步骤一中实验获得的数据进行拟合，验证有限元模型的正确性，若拟合误差大于预设值，则对热源形状参数进行调整，直至拟合误差小于预设值。

2.根据权利要求1所述的一种复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法，其特征在于步骤一中，对于不同堆积层，焊枪在垂直于堆积方向的平面内的投影与基板上表面法线方向的夹角β取值是不同的。

3.根据权利要求1所述的一种复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法，其特征在于步骤一中，对于不同堆积道，焊枪轴线与堆积方向的夹角λ取值是不同的。

4.根据权利要求1所述的一种复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法，其特征在于步骤一中焊枪轴线与基板上表面的交点、和焊枪喷嘴末端的距离D的取值范围为8-18mm。

5.根据权利要求1所述的一种复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法，其特征在于步骤四中的热源程序用Fortran语言编写，生成的驱动外部计算文件格式为.f。