[发明专利]基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法

权利要求书

1.一种基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：基于COMSOL构建三维固体传热和水平集两相流瞬态模型；

S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括理想气体常数、金属材料融化潜热、金属材料蒸发潜热、金属材料相对分子质量、表面辐射率、玻尔兹曼常数、金属材料固相线、金属材料液相线、金属材料气相线、金属材料熔点、固液相线差值、环境压强、金属材料热膨胀系数、表面张力系数、表面张力的热依赖性系数、Boltzmann常量、回归扩散系数β_r、激光移动速度、激光功率、激光半径、环境温度、扫描时长、糊状区常数和机器精度；

S3：确定待熔化的粉末的材料属性，所述材料属性包括热导系数、比热容、材料密度、热膨胀系数、固液相线，以及与气相间的表面张力大小；

S4：确定含参变量，所述含参变量包括高斯热源的热通量、高斯热源X向、高斯热源y向、高斯热源半径、达西阻力、传热辐射、表面张力系数、热浮力、反冲压力对于压力的影响、反冲压力对于体积分数的影响、蒸发热量损失、蒸发质量通量、反冲压力项、水平界面识别函数；

S5：构建粉床的几何模型，并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定两相流水平集节点下的边界条件；

S6：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、速度、压力和相成分；

S7：根据步骤S6的节点的温度、速度、压力和相成分预测选区激光熔化技术加工过程中熔池分布。

2.根据权利要求1所述基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，其特征在于：步骤S4中高斯热源的热通量采用如下方法确定：

Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(-2*r_focus^2)/r_spot^2)

(1)

其中，Flux表示高斯热源的热通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光热源，pi表示π，r_spot表示激光半径，r_focus表示高斯热源的焦点；

所述高斯热源X向采用如下方法确定：

x_focus＝30[um]+v_spot*t (2)

其中，x_focus表示x向高斯热源的焦点，v_spot表示激光速度；

所述高斯热源y向采用如下方法确定：

y_focus＝100[um] (3)

其中，y_focus表示y向高斯热源的焦点；

所述高斯热源半径采用如下方法确定：

r_focus＝sqrt((x-x_focus)^2+(y-y_focus)^2) (4)

其中，r_focus表示高斯热源的半径，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点；

所述达西阻力采用如下方法确定：

f_damp＝-A_mush*(1-alpha)^2/((alpha^3+eps_s) (5)

其中，f_damp表示达西阻力，A_mush表示糊状区常数，alpha表示液相体积分数，eps_s表示机器精度；

所述传热辐射采用如下方法确定：

q_rad＝-sigma_s*epsilon*(T^4-T_ref^4) (6)

其中，q_rad表示传热辐射，sigma_s表示Boltzman常量，epsilon表示材料表面发射率，T表示节点温度，T_ref表示环境温度；

所述表面张力系数采用如下方法确定：

sigma_m＝sigma+gamma*(T-T_s) (7)

其中，sigma_m表示含热物理性的表面张力系数，sigma表示表面张力系数，gamma表示表面张力系数的热依赖性，T_s表示材料固相线，T表示节点温度；

所述热浮力采用如下方法确定：

其中，f_b表示热浮力，表示液体密度，g_const表示重力加速度g，alpha_fb表示材料的热膨胀系数，K表示温度单位，T表示节点温度，T_l表示材料的液相线，phils表示水平集指示函数；

所述反冲压力对于压力的影响采用如下方法确定：

phi_source＝-mdot*delta*(phils/tpf1.rho2+(1-phils)/tpf1.rho1) (9)

其中，phi_source表示反冲压力对于压力的影响，mdot表示蒸发质量通量，delta表示相界面识别函数，phils表示水平集指示函数，tpf1.rho2表示相2的密度，tpf1.rho1表示相1的密度；

所述反冲压力对于体积分数的影响采用如下方法确定：

u_source＝mdot*delta*(tph1.rho2-tph1.rho)/(tph1.rho)^2 (10)

其中，u_source mdot表示反冲压力对于体积的影响，delta表示相界面识别函数，tpf1.rho2表示相2的密度，tpf1.rho1表示相1的密度，tpf1.rho表示相1或者2的密度；

所述蒸发热量损失采用如下方法确定：

Q_v＝-mdot*L_v*delta (11)

其中，Q_v表示蒸发热量损失，mdot表示蒸发质量通量，L_v表示材料的蒸发潜热，delta表示相界面识别函数；

所述蒸发质量通量采用如下方法确定：

mdot＝sqrt(Mw(2*pi*R*T))*(p_sat)*(1-beta) (12)

其中，mdot表示蒸发质量通量，Mw表示金属的相对分子质量，pi表示π，R表示气体常数，T表示节点温度，p_sat表示饱和蒸气压，beta表示回归扩散系数；

所述反冲压力项采用如下方法确定：

其中，Exp表示乘子，L_v表示材料的蒸发潜热，Mw表示金属的相对分子质量，T_v表示金属的气相温度，T表示节点温度，R表示气体常数，P_sat表示饱和蒸气压，p0表示环境大气压，P_recoil表示反冲压力，beta表示回归扩散系数；

所述水平界面识别函数采用如下方法确定：

delta＝Is.delta (14)

其中，delta表示相界面识别函数，Is.delta表示软件内置相界面识别函数的算子。