[发明专利]一种基于Fortran的熔池演化程序与商业软件APDL的联合求解方法

说明书

一种基于Fortran的熔池演化程序与商业软件APDL的联合求解方法，先基于Fortran框架利用自编集成气、固、液三相模型的三维熔池程序对熔池演化过程的流动、传热及自由表面变化进行追踪，得到熔池及其热影响区域的温度、速度及表面形态分布；其次对前步计算结果进行模型及数据的分离，抽取固、液区域的几何模型及温度、速度分布；最后利用商业软件APDL对抽取的固、液区域进行几何模型、内部温度及速度的重构，并以其作为初始条件和约束进行热应力求解。本发明将自编程熔池演化程序与商业软件APDL进行联合，优势互补，协作完成熔池演化过程的流、热、力模拟追踪。本发明具有操作简单、通用性强、计算精度高等优点。

技术领域

本发明属于高温金属熔池数值计算领域，具体涉及一种基于Fortran的自编程熔池演化程序与商业软件APDL的流热力联合求解方法

背景技术

以层层包覆、快速制造为特点的金属增材制造技术是高端制造业的前沿技术，利用增材制造技术直接生产金属零件与金属部件，具有成品综合力学性能优异、无需大型锻铸工业装备及其相关配套基础设施、可实现多种材料任意复合制造及对传统难加工材料的成型等一系列优点，对于航空、航天、核电、石化、船舶等重大高端装备制造业内的高性能、难加工金属大型关键构件制造意义重大，被广泛应用于上述领域。

然而，在激光增材制造过程中，不同的制造区域之间以及与外界环境之间存在的巨大的热梯度。由于各部分相互限制热膨胀的发展，即使在热膨胀系数较小的材料中，激发的热应力也是较为显著的。若热应力的增长一旦超出材料最大的许用应力，制造材料则会出现不可逆转的塑性变形，严重的影响制造产品的质量。即使是在制造凝固成型时，由于各部分的冷却速度不同，产品中也会存在较大的残余应力，若不能及时进行消除，在日积月累的作用下，产品会出现开裂、变形的现象，给产品的安全使用带来较大的隐患。增材制造过程的应力演化研究是消除上述隐患、控制产品质量的迫切需求，具有重要的学术意义和工程应用价值。特别是通过数值模拟技术进行仿真追踪，给实际工程应用提供参考，十分方便、快捷及有效。

增材制造过程的应力产生于其过程中温度及速度的演化不均匀，而温度及速度产生的载体则是熔池。在常用的热应力仿真模拟商业软件中，其模型以热传导计算扫掠层的温度分布并忽略熔池的存在及其影响，如此简化很大程度降低了多层熔覆热应力预测的准确性及可靠性。而自编程序对于熔池演化的温度及速度计算较为精确，但其应力计算的模型简化则较大，对网格的划分要求也较高，利用其对复杂表面物体进行计算步骤十分复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种基于Fortran的自编程熔池数值模型与经典机械力学软件APDL的流热力联合求解方法。

本发明利用集成了界面追踪模型、多孔-焓方法以及N-S方程的三维自编程序取得精确的熔池演化状态；在此基础上，利用力学求解较为精准、快捷的商业软件APDL进行准确的熔池热应力演化求解，集成两种软件的优势进行互补，完成熔池演化过程的流、热、力计算追踪。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于Fortran的熔池演化程序与商业软件APDL的联合求解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：基于Fortran平台构建三维熔池演化模型，其模型中集成了自由变形界面追踪模型、多孔-焓模型及离散N-S方程，通过自由变形界面追踪模型识别熔池及其热影响区域的界面，即气相与固、液两相的位置分布；通过多孔-焓模型识别熔池液相及其热影响区域固相的位置分布；通过离散的N-S方程求解整个区域内温度及速度分布(x_i,y_i,z_i,T_i,u_i)，其中x_i,y_i,z_i分别为x,y,z三个方向坐标点，T_i为坐标点温度，u_i为坐标点速度。