[发明专利]一种基于熔滴过渡的电弧增材成形预测建模方法

说明书

本发明涉及一种电弧增材成形过程数值计算建模方法，所述方法将熔池流场计算与熔滴过渡过程进行耦合，通过考虑焊枪移动、采用动网格技术更新计算域、在熔池计算域和熔滴过渡计算域统一求解输运方程，实现电弧增材制造成形形貌、温度场及流场模拟预测，解决以往电弧增材熔覆层尺寸无法预知以及物理场演变不明确的问题。本发明通过以下步骤实现：步骤一：建立材料、几何模型，定义计算域及边界条件；步骤二：建立熔滴力学模型，确定熔滴过渡计算域输运方程源项；步骤三：建立熔池热力学模型，确定熔池计算域输运方程源项；步骤四：加载热力学源项，统一求解熔滴与熔池计算域输运方程。

技术领域

本发明涉及一种电弧增材制造数值计算建模方法，尤其针对电弧增材制造熔覆层成形形貌及温度场、流场的模拟预测。

背景技术

增材制造技术是一种基于CAD模型采用金属或非金属材料逐层累计直接成形三维构件的技术，是大批量制造模式向个性化定制模式转变的引领技术。金属增材制造技术以电弧、激光或电子束为热源，通过熔化焊丝或者粉末实现构件的打印，整个过程无需模具，生产效率高及材料利用率高，成本较低。

成形精度和成形性能是金属增材制造两个核心问题。一般地，成形精度的控制首先需要根据大量的试验建立增材工艺参数与单道熔覆层宽度和高度的回归关系，其次还需通过单道熔覆层形貌建立其轮廓模型，校核确定熔覆层抬升量。整个过程不仅耗时较长，材料浪费严重，而且拟合尺寸参数往往与实际仍存在一定误差。成形性能决定着构件服役性能，金属增材制造随着熔覆层高度的增加，热累积效应显著，必然对最终的微观组织和力学性能产生重要的影响。通过实验的手段控制层间冷却时间以及添加辅助机械设备调控增材组织取得了一定成效，但是这种方法仍然停留在定性分析的基础上，无法再现温度场、流场以及微观组织的演变历程。

数值模拟技术是继试验、理论研究之后的第三种研究手段，是成分、组织、结构设计与制造一体化工程的关键桥梁。数值模拟技术通过离散、求解描述各物理场的控制方程，结合一定的边界条件可以较准确模拟预测实际物理过程各物理现象，特别是再现温度场、应力场、流场以及微观组织等演变历程。然而，目前电弧增材制造温度场、应力场、流场计算大部分是基于事先画好的熔覆层形貌进行仿真分析，当改变工艺参数时熔覆层形貌发生变化，又需重新建模，这无疑大大增加了仿真工作量。通过在质量守恒方程中添加质量源项进行熔覆层形貌直接预测可以改善上述这一缺陷，但该方法又忽略了熔滴过渡过程复杂的受力情况以及进入熔池后对熔池造成的冲击，这在一定程度上限制了模拟预测的精度。

综上所述，基于熔滴过渡，考虑熔滴的过渡状态对熔池的作用，实现对金属增材成形形貌、温度场及流场的准确模拟对优化确定工艺参数，控制成形精度，调控微观组织，提升力学性能以及物理机制研究具有重要意义。特别是在当下国内增材制造工业背景下，研究电弧增材物理机制，实现成形过程准确建模具有一定的迫切性。

发明内容

电弧增材制造过程熔滴过渡到基板形成的熔覆层尺寸形貌在增材试验前无法预知，导致增材区域物理场建模分析无法直接进行。本发明开发了一种基于熔滴过渡的电弧增材制造有限体积建模方法，以期通过输入工艺参数直接准确模拟熔覆层尺寸形貌以及温度场和流场。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤一：建立材料、几何模型，定义计算域及边界条件：

(1.1)、定义电弧增材制造工艺参数、材料热物理性能参数；

(1.2)、根据增材制造目标试件尺寸，建立几何模型，并进行区域离散；

(1.3)、定义基板区域为金属域，增材区域为空气域，金属域作为初始熔池计算域，空气域作为初始熔滴过渡计算域，空气域与金属域界面为内部边界；