[发明专利]基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法

权利要求书

1.一种基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，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结构力学瞬态模型；

S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括扫描间隔D_spot、激光扫描速度v_spot、激光功率P_laser、激光半径r_spot、表面辐射率A_Gass、粉末堆积率w_powder和粉末层厚thickness；

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、杨氏模量以及泊松比；

S4：确定移动高斯热源参数，所述移动高斯热源参数包括移动高斯热源数量，以及各个移动高斯热源使用与时间相关的差值函数；

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固体力学节点下的边界条件；包括：

固体传热

所有的初始温度定义为35degC，模型所有表面定义传热系数为80W/(m2·K)，对流热通量的边界条件模拟加工过程中风场对于加工的影响；

激光作用的材料表面定义为表面对环境辐射的边界条件，模拟在移动的高斯热源作用下，高温材料表面与环境的热交换过程；

对于每一层材料定义一个与时间有关的高斯热源，以模拟热源的加载；

固体力学

对基板底面施加一个固定约束的边界条件，防止在此方向的变形；

对于受激光作用的材料添加热膨胀节点；

使用与时间相关的活化表达式，活化比例因子设为1e-5；

S6：实现选区激光熔化的逐层制造；

S7：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、应力和应变；通过网格划分通过能量守恒和应力平衡确定节点的温度、应力和应变；

S8：根据步骤S7的结果预测层间热应力分布和残余热应力分布。

2.根据权利要求1所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：步骤S3还包括将待熔化的粉末材料在粉床上堆积的形状进行预处理，即对粉末松装密度进行预处理，所述预处理用于将粉末堆积的粉床近似为一个长方体。

3.根据权利要求2所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：所述粉末松装密度的取值范围为40％-60％。

4.根据权利要求3所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：所述粉末松装密度为50％。

5.根据权利要求1所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：步骤S4中移动高斯热源数量根据切片形状、扫描间距和激光半径决定，使其一次平铺扫描能覆盖目标切片形状。

6.根据权利要求1所述基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，其特征在于：步骤S4中的差值函数采用如下方法确定：

x_focus＝x_f1(t)   (1)

其中，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，x_f1(t)表示使高斯热源移动的x方向的函数；

y_focus＝y_f1(t)   (2)

其中，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，y_f1(t)表示使高斯热源移动的y方向的函数；

r_focus＝sqrt((x-x_focus)^2+(y-y_focus)^2)   (3)

其中，r_focus表示高斯热源的焦点，所述焦点由x向和y向高斯热源的焦点决定，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；

Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(-2*r_focus^2)/r_spot^2)(4)

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。