[发明专利]一种SLM成形过程温度场数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种SLM成形过程温度场数值模拟方法，本方法基于有限差分原理，采用单元嵌套方法进行温度场模拟，突破了有限元方法、其他有限差分方法模拟尺寸小和计算时间长的限制。相较于有限体积法，本方法仅在温度梯度大的熔池周围采用小尺寸离散单元，而在远离熔池且温度梯度小的区域使用大尺寸离散单元，使用单元嵌套的方法缩减了参与计算的离散单元数目。更进一步的，通过计算时间步长的嵌套，能够减少单元与单元之间的计算次数，从而能够减小SLM温度场模拟计算的计算量，且能保持较高的计算精度。为大尺寸样件的温度场数值模拟提供新的解决办法。

技术领域

本发明属于增材制造计算机数值模拟技术领域，具体涉及一种SLM成形过程温度场数值模拟方法。

背景技术

SLM成形过程受工艺参数影响，成形件容易发生卷曲、球化、热变形和热裂纹等缺陷。SLM成形产品结构与材料需求多变，现有研究主要通过大量反复实验确定工艺参数，普适性较差。目前技术人员要求高、准备时间长以及制造失败率高的现状，使得SLM技术难以大范围普及应用。

通过计算机数值模拟获取SLM成形过程的温度场，特别是熔池温度，成为指导SLM成形的重要手段。在成形过程中能否保持稳定且尺寸适中的熔池，是成形件质量是否过关的重要因素。此外，温度场数值模拟所得温度数据还为模拟应力提供了数据基础。

SLM成形过程热源激光速度较快，温度梯度大。为准确模拟成形过程的温度变化，现有温度场数值模拟方法在模拟过程中常采用小尺寸的离散单元(边长0.1mm左右)，则尺寸仅为10mm*10mm*10mm的样件离散就将会得到10⁶个离散单元。现有温度场数值模拟方法要求较高的计算机配置，模拟小尺寸样件(如10mm*10mm*10mm)仍需要大量计算时间(一周左右)。样件尺寸越大，则计算时间成本越大。这一缺陷限制了SLM成形过程数值模拟的发展与应用。有方法通过整体增大离散单元的尺寸缩减计算量，但又带来了计算精度不足的问题，因此在保证计算精度的情况下降低计算量是十分必要的。

发明内容

本发明提供了一种SLM成形过程温度场数值模拟方法，能够减小SLM温度场模拟计算的计算量，为厘米级大尺寸样件模拟提供了新的解决办法。

为达到上述目的，本发明所述一种SLM成形过程温度场数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，建立仿真模型：在三维建模软件中建立基板和样件的三维模型，对样件和基板分别赋予材料属性；

步骤2，离散有限差分单元：将步骤1得到的基板和样件的三维模型按照设定的尺寸离散得到若干正六面体有限差分单元E_L单元，将设定区域内的E_L单元细化分割得到比E_L单元尺寸小的E_M单元，将部分E_M单元细化分割得到比E_M单元尺寸小的E_s单元；E_L单元、E_M单元和E_s单元组成嵌套单元；

步骤3，建立传热计算模型，确定最大允许计算时间步长Δt_j：建立同类型单元之间的换热方程，根据步骤2确定的E_L单元、E_M单元及E_M单元的尺寸，结合基板材料属性、样件材料属性以及粉末的热物性参数计算同类型单元之间传热的最大允许计算时间步长Δt_j，以保证传热计算收敛；

步骤4，确定传热策略：根据激光的扫描速度确定激光在步骤2所得E_s单元之间的移动时间，并根据其与步骤3得到的各单元之间的最大允许计算时间步长的大小关系，确定传热计算策略，并对步骤3确定的最大允许计算时间步长Δt_j进行修正；

步骤5，计算温度场：按照步骤4确定的传热计算策略开始模拟SLM成形过程，即可得到SLM成形过程温度场的数值模拟结果，计算结果包含整个成形过程中各类型单元的温度变化历程。