[发明专利]一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法

说明书

本发明公开了一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，涉及激光热源加工成形金属的技术领域。该方法的步骤包括建立介观尺度下粉末床的三维随机分布颗粒堆垛模型；构建上述三维随机分布颗粒堆垛模型的控制方程；在控制方程的约束条件下通过多相流算法计算所搭建的三维随机分布颗粒堆垛模型以获得粉末的熔化以及液相流动过程。本发明考虑到了粉末颗粒实际堆垛过程中存在间隙而对激光吸收率的影响，并模拟仿真了介观尺度下激光与粉末颗粒耦合的过程，对多相耦合中的温度场进行数值模拟以实现粉末颗粒熔化过程，通过对温度场变化的观察，避免了以往将粉床视为均匀连续介质而为考虑堆垛间隙对光固耦合过程的影响。

技术领域

本发明涉及激光热源加工成形金属的技术领域，尤其涉及一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法。

背景技术

激光增材制造技术是一种快速成形技术，近年来发展迅速，它可以通过金属粉末加工成形高致密度和加工精度的三维零件，并且成形后无需或仅需简单的热处理。激光增材制造技术以激光作为热源，因而成形件的最终质量与激光和粉末之间的相互作用以及耦合效应有关。以往有关熔池的模拟大多为一些关于温度场和应力场的计算模拟，主要通过调控加工参数来影响温度场和应力场的变化，从而分析预测不同加工参数对成形构件成形质量的影响。这种模拟一般都是建立宏观层面的模型，将所要加工的粉末层视为连续均匀的介质，即块体，而并未考虑粉末颗粒堆垛中所呈现的特殊结构带来的影响，但是围绕激光和粉层的作用机理和过程控制的研究并不多见。实际在堆积过程中，粉末颗粒之间存在大量的间隙，使得粉体对激光的吸收不同于普通块体，间隙对激光的吸收效应与黑体类似，激光经过透射和反射能够进入粉层的更深处，这对于进一步提高材料对激光的吸收率有很大帮助；并且，粉末颗粒的外表面多呈现如球体或者其他不规则多面体，这也大大增加了粉末颗粒的表面积，并提高了粉层表面的接收光的面积，这也是与块体材料不同之处。所以从颗粒尺度对粉层的凝固熔化、传热传质过程进行模拟很有必要。

发明内容

本发明主要针对上述背景技术的不足，提供了一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，考虑到粉末颗粒堆垛结构对激光吸收率的影响，在介观尺度下模拟粉末颗粒与激光耦合的过程，对耦合过程的温度进行数值模拟，为了记录粉末颗粒的熔凝过程，无需改变加工参数，主要观察温度场的变化，解决了现有技术存在未考虑粉末颗粒堆垛结构对光固耦合过程的影响仅仅只建立宏观层面熔池模型的技术问题。

本发明主要采用如下技术方案：

一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，步骤如下：

A、在介观尺度下建立粉床的三维随机分布颗粒堆垛模型，所述三维随机分布颗粒堆垛模型通过向介观尺度下所有计算区域包括粉床区域及上方空气区域组成的区域随机填充粉末颗粒形成；

B、构建所述三维随机分布颗粒堆垛模型的控制方程；

C、采用多相流算法在控制方程约束下解算所述三维随机分布颗粒堆垛模型以获取粉末熔化以及液相流动的过程。

所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的有限元分析方法中，步骤A采用如下方法在介观尺度下建立仅含有单一粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型：

首先，对计算区域内准备填充单一粉末颗粒的区域进行局部的网格细分，而未填充的上方空气区域材料用粗网格划分；

接着，初始化所有计算区域得到介观尺度下单一粉末粉床的三维随机分布颗粒堆垛模型。

其中，步骤B中构建的随机分布颗粒堆积模型的控制方程包括：

质量守恒方程：

能量守恒方程：

动量守恒方程：