[发明专利]基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法

权利要求书

1.一种基于多物理场仿真的电弧熔丝增材制造工艺参数确定方法，其特征在于，包括：

获取电弧熔丝增材制造的预设工艺参数以及目标成形件的结构信息；

基于分子动力学理论确定金属材料的物性参数；

根据所述物性参数和所述预设工艺参数，基于多物理场耦合仿真确定电弧与焊丝传热过程中的热流和压力分布模式；

基于所述物性参数以及所述热流和压力分布模式，计算焊丝熔化形成的熔滴的初始信息，其中，所述熔滴的初始信息包括熔滴的温度场和流动特性；

依据所述物性参数、所述预设工艺参数和所述熔滴的初始信息进行多物理场耦合仿真计算，确定熔滴下落后凝固形成的成形件的结构信息；

将所述成形件的结构信息与所述目标成形件的结构信息进行对比，并根据对比结果调整所述预设工艺参数，得到目标工艺参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于分子动力学理论确定金属材料的物性参数，包括：

基于分子动力学理论研究金属材料的熔化和凝固过程，研究微观尺度下的传热机理和微观组织结构演变规律；

分析多种势函数中各势函数对金属材料的相变传热特性的影响；

建立物性参数的温度函数关系式。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述金属材料的物性参数和所述预设工艺参数，基于多物理场耦合仿真确定电弧与焊丝传热过程中的热流和压力分布模式，包括：

根据所述金属材料的物性参数和所述预设工艺参数建立电弧熔丝增材制造三维几何模型，并对所述三维几何模型进行有限元网格划分；

对划分后的三维几何模型进行多物理场耦合仿真计算，模拟电弧熔丝增材制造过程中电弧与焊丝的传热过程，获得电弧与焊丝传热过程中的热流和压力分布模式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对划分后的三维几何模型进行多物理场耦合仿真计算，包括：

根据电荷守恒方程和欧姆定律计算电场分布和电流密度，根据麦克斯韦方程组和毕奥-萨伐尔定律计算磁感应强度分布，进而获得电磁力分布规律；

根据质量守恒方程和纳维-斯托克斯方程计算电弧的流场，获得电弧速度分布和压力分布，其中，在计算电弧的流场时，考虑电磁力的作用；

根据能量守恒方程计算电弧和焊丝的温度场，建立电弧-焊丝传热模型，确定电弧与焊丝间的热流密度，在计算电弧和焊丝的温度场时，考虑焦耳热、辐射散热、对流换热以及电弧与焊丝的导热作用。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述物性参数以及所述热流和压力分布模式，计算焊丝熔化形成的熔滴的初始信息，包括：

利用格子-玻尔兹曼方法基于所述物性参数以及所述热流和压力分布模式建立焊丝传热模型；

对所述焊丝传热模型进行计算，确定焊丝熔化形成的熔滴的初始信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述焊丝传热模型进行计算，确定焊丝熔化形成的熔滴的初始信息，包括：

使用单松弛双分布的LBE模型计算粒子运动，采用D3Q15模型确定离散速度；

计算焊丝区域的温度场和速度场演变，确定焊丝熔化形成的熔滴的流动特性；

将焊丝熔化形成的熔滴的温度场和流动特性确定为所述焊丝熔化形成的熔滴的初始信息。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，依据所述物性参数、所述预设工艺参数和所述熔滴的初始信息进行多物理场耦合仿真计算，包括：

根据纳维-斯托克斯方程分析熔滴在控制区域的运动规律，确定熔滴的流场；

根据传热方程计算熔滴在温度演变过程中的温度场，其中，温度演变过程包括下落过程与空气对流换热、接触基板后与基板导热的过程以及继续在空气中冷却凝固的过程；

利用流体体积函数法和水平集法计算熔滴在熔滴下落变形过程中以及与基板碰撞后变形过程中的变形规律，得到熔滴下落后凝固形成的成形件的结构信息；

基于动力学控制方程，分析成形后凝固层内温度不同导致的热应力情况，确定热应力演变规律。