[发明专利]复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法

说明书

本发明提供一种复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法，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成锐角的结构件，其步骤主要包括：利用焊枪姿态变化的方法堆积复杂特征结构件；测量基板上温度变化曲线；基于广义双椭球热源建立热场计算有限元模型；计算结束后，提取基板上温度变化曲线，与实测温度变化曲线进行对比，验证有限元模型的正确性，完成复杂特征结构件电弧增材制造热场的计算，本发明基于广义双椭球热源模型建立了计算复杂特征结构件热场的有限元模型，实现了复杂特征结构件电弧增材制造热场的准确计算，为预测复杂特征结构件电弧增材制造过程中应力、变形分布，优化复杂特征结构件工艺参数提供了前提条件。

技术领域

本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种复杂特征结构件电弧增材制造热场计算方法。

背景技术

在众多增材制造技术中，电弧增材制造技术近几十年受到不少学者的关注，原因主要在于其具有堆积效率高，丝材利用率高，设备成本低，柔性化程度高等优点，适合于在较短的生产周期内制造出具有复杂几何特征的结构件。复杂特征结构件是指在成形过程中堆积层的生长方向与基板成锐角的结构件，其在工业生产中应用范围广，实用价值高。然而复杂结构件在电弧增材制造过程中经历的热过程复杂，成形后易发生变形甚至开裂。因此，为了更好地控制这种复杂构件的成形质量，获得其制造过程中的热分布情况十分有必要。

电弧增材制造过程涉及多个物理场的相互作用，采用传统的试验及解析求解方法难以获得准确的热场分布，而基于有限元软件的数值计算方法则能有效预测电弧增材制造过程热场的分布。目前，国内鲜有关于复杂特征结构件电弧增材制造过程热场的研究。经现有文献检索发现，中国专利申请号：201710167587.9名为“一种电弧增材制造有限元建模方法”提供了一种电弧增材制造有限元建模方法，该方法通过模拟电弧形态和熔滴形态建立电弧增材制造有限元几何模型，并对温度场模型进行了修正，然而该建模方法无法对复杂特征结构件热场进行计算。中国专利申请号：201710038712.6名为“一种薄壁构件电弧填丝增材制造温度场预测方法”提供了一种计算薄壁构件电弧填丝增材制造温度场的方法，该方法建立了预测薄壁结构件温度场分布的有限元模型，并采用被动视觉系统检测试验过程的熔池形貌，利用热电偶测量热循环曲线，参照试验结果对有限元模型进行了微调，同样地，该方法只能用于预测简单直壁件温度场分布，不能用于计算复杂特征结构件热场。因此，亟需提供一种计算复杂特征结构件电弧增材制造热场的方法，这对推动电弧增材制造技术在工业生产中的应用具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决复杂特征结构件电弧增材制造过程中热场分布难以计算的难题，提供一种复杂特征结构件电弧增材制造过程热场计算方法，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。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

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，本发明提供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；