[发明专利]一种金属零件增材制造过程温度场预估方法

说明书

本发明公开了一种预估金属零件增材制造过程温度场的方法，基于数值模拟和有限差分算法，建立金属零件增材制造动态温度场。包括步骤1，初始化增材制造系统状态、确定粉床体积及网格边长、零件材料属性；步骤2，确定零件三维模型并划分模型和迭代时间步长；步骤3，根据打印状态将ti时刻归类为铺粉状态或扫描状态；步骤4，确定ti时刻对应的边界条件；步骤5，计算ti时刻温度场；步骤6，判断ti时刻是否为打印最后一个时刻；若是则计算结束，否则进入步骤3，以此循环，直到完成所有时刻计算。该发明温度场预估方法计算效率高，能充分考虑增材制造中每个状态边界条件，建立金属增材制造动态温度场，为零件结构设计优化及缺陷分析提供保证。

技术领域

本发明涉及一种温度场预估系统技术，具体涉及的是一种预估金属零件增材制造过程动态温度场变化并为金属零件结构设计优化及缺陷分析提供保证的方法及系统，属于数值模拟技术领域。

背景技术

金属增材制造技术是基于离散堆积思想的新型材料成型工艺。该工艺近似近净成型，无需模具模样就可生产所需的金属零件。具有生产工艺简单、生产流程短、金属收得率高等优点，对于结构复杂、单件小批量的金属零件具有独特的优势。生产的零件最终精度、表面质量、性能与金属增材制造工艺包括热源温度、热源运动速度和材料属性等参数有则密不可分的关系。而金属增材制造过程中温度场的监测检测及仿真模拟零件质量的改进优化有着重要意义。

现有的对金属增材制造过程中温度场的监测检测手段基本为使用红外温度传感器对粉床表面温度进行检测和使用热电偶位于粉床基板下进行温度测量。这些检测手段都只能对粉床的表面进行温度监测，而无法测量其内部的温度变化过程。为了揭示金属增材制造过程中粉床整体温度场的变化过程，温度场模拟是一个有效的手段。

温度场模拟是数值模拟领域的重要应用之一。其中温度场模拟的方法又包括：有限体积法(FVM)、有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)等。

有限元法基于变分原理及加权余量算法。其基本思路为：根据变分原理建立积分方程；根据求解模型的形状对模型进行网格剖分；确定满足节点数目和求解精度要求的单元基函数；对单元基函数进行逼近，对单元区域积分，获得单元有限元方程；对单元有限元方程累加得到总体有限元方程；边界处理；求解有限元方程。

有限差分法是数值模拟领域最早使用的方法之一，根本依据是采用泰勒级数展开的方法构造差分，主要差分形式又包括：向前差分、向后差分和中心差分。其基本求解思路为：将所求解的模型划分成为单位网格，用有限的网格节点取代连续的被求解模型。

有限元方法精度可选，但计算时所需内存和计算量巨大，并行计算不易实现。而有限体积法更适用于流体计算，并行计算较易实现，但是精度最高基本上只能实现到二阶。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种金属零件增材制造过程温度场预估方法，其计算效率高可以并行计算，能够充分考虑增材制造中每个状态的边界条件，建立金属零件增材制造动态温度场，为金属零件结构设计优化及缺陷分析提供保证。

为了实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种金属零件增材制造过程温度场预估方法，基于数值模拟和有限差分算法，建立金属零件增材制造动态温度场，具体包括以下步骤：

步骤1，初始化增材制造系统状态、确定粉床体积及网格边长、确定金属零件材料属性；

步骤2，确定金属零件三维模型并根据网格边长划分模型，确定迭代时间步长；

根据步骤1定义的网格边长将金属零件三维模型转化为三维矩阵；

根据步骤1定义的金属零件材料属性和网格边长确定迭代时间步长，具体计算迭代时间步长需满足稳态时间步长方程，完成模拟的参数准备阶段；

步骤3，开始模拟后，根据打印状态将t_i时刻归类为铺粉状态或扫描状态；