[发明专利]基于ANSYS的SLM单道多层扫描成形数值模拟方法

说明书

本发明公开了基于ANSYS的SLM单道多层扫描成形数值模拟方法，通过结合ANSYS经典版以及WORKBENCH模块，模拟激光增材制造单道多层扫描过程，以时间为节点，对每一层施加不同的热源，同时也保证了热源移动的连续性，通过ANSYS函数编辑器，将设置好的分段函数导入编辑器，并导出命令流，从而实现了热源的逐层移动；采用该模拟方法，可分析制件成形过程的温度史，以及层与层之间的关系，通过调整参数，可分析不同参数下温度场、温度史、应力场变化，为实际打印提供理论支撑。

技术领域

本发明属于增材制造计算机数值模拟技术领域，具体涉及基于ANSYS的SLM单道多层扫描成形数值模拟方法。

背景技术

激光增材制造本身是一个非稳态、极冷极热的瞬态过程，在制造累加过程中局部热输入就必然会导致不均匀的温度场，这种局部热效应就直接表现为熔池在凝固及随后冷却过程中极易形成残余应力。残余应力作为一种内应力，将直接影响成形件静载荷强度、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能及尺寸的稳定性，严重时将直接引发裂纹缺陷。

随着计算机技术的不断发展，使用计算机进行仿真模拟也越来越受到关注。通过计算机仿真，可直观的看到SLM成形过程中的温度应力的分布变化，例如加工过程中的温度分布、熔池尺寸以及热应力分布等。这些参数对研究材料微观组织变化、内部缺陷形成等都有重要的参考作用。

发明内容

本发明的目的是提供基于ANSYS的SLM单道多层扫描成形数值模拟方法，用于实现激光增材制造数值模拟过程中热源在多层之间的移动。

本发明所采用的技术方案是，基于ANSYS的SLM单道多层扫描成形数值模拟方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，建立数值模拟模型，通过三维建模软件建立模拟所需的三维模型，模型包括基底层和粉末层；

步骤2，新建增材制造数值模拟任务，在WORKBENCH中有增材制造过程的热-力耦合模块创建新的模拟任务；

步骤3，添加材料，在WORKBENCH中添加激光增材制造模拟所需要的材料，包括基底材料和粉末层材料；

步骤4，导入模型，在热分析的流程图中，打开模型选项，导入步骤1建立好的三维模型；

步骤5，基于步骤3添加的材料，分别赋予粉末层和基底层相应的材料；

步骤6，划分网格；

步骤7，添加传热，设置粉末与基底之间的对流传热；

步骤8，添加生死单元，采用生死单元技术实现固体粉末-流体-固体的转换，添加生死单元并赋予给每个单元体，并设置单元的生死；

步骤9，设置步数，根据生死单元尺寸和扫描速度设置激光扫过每一个生死单元的时间，每一个生死单元相当于一个步数；

步骤10，添加热源，基于有限元软件模拟激光增材制造过程，其热源类型选择为高斯热源；

步骤11，计算求解，选择温度进行求解。

本发明的特点还在于：

其中步骤1中创建的粉末层以六面体单元堆积，后续进行网格划分，基底层和粉末层为一个整体；

其中步骤1中的粉末层为单道多层；

其中步骤6中划分的网格使用带有体素化选项的笛卡尔网格，且基底层网格比粉末层网格大；

其中步骤8中每一层粉末设置为一个生死单元，并逐一选中每一层分别为选中的几何实体创建命名选择，用于后续的热源加载；

其中步骤10中高斯热源分为：高斯面热源、高斯体热源，模拟策略为单道多层，采用高斯面热源：