[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

说明书

本申请提供一种基于COMSOL预测选区激光熔化过程中层间热应力分布的方法，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；S3：确定待熔化的粉末的材料属性；S4：确定移动高斯热源参数；S5：构建粉床的几何模型；S6：实现选区激光熔化的逐层制造；S7：网格划分并计算节点温度；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。本方法通过移动的高斯热源模，模拟加工过程中的激光热源效果，并利用均匀的材质粉床来代替粉末床；此外，利用结构力学模块模拟随着热源移动时，该层产生的热应力以及制件变形情况，模拟选区激光熔化技术逐层制造的过程，实现多层间热应力、残余热应力的预测。

技术领域

本发明涉及热应力分布技术领域，尤其涉及一种基于COMSOL预测选区激光熔化技术中层间热应力分布的方法。

背景技术

选区激光熔化技术是基于材料离散-逐渐累加方式制造实体零件的近净成形技术。该技术通常以金属粉末为原料,通过三维模型预分层处理设定激光扫描路径,采用高能量激光束按照设定的扫描路径逐层熔化金属粉末,使其快速凝固、堆积而形成高性能构件。在激光熔化技术过程中,金属材料经历快速加热、凝固和冷却过程,在此过程中会形成较大的热应力以及由固态相变引起的组织应力。这些应力在成形结束后残留在工件内部而成为残余应力。若残余应力超过材料本身的屈服强度,成形件就会发生变形,导致尺寸精度及使用性能的降低。因此,增材制造金属零部件的变形一直是国内外增材制造领域的研究热点之一。现有的预测激光熔化技术制造过程中层间热应力的方法有体积热源方法，即每一层生成一个切片实体，并且带有体积热源，以此来预测层间的热应力的分布，如现有的ANSYS新增的增材制造板块。但是以这种体积热源加载到每一层切片层上，只能预测层与层间的热应力分布，并不能准确预测在每一层上单道扫描累计出现热应力的分布。

因此，亟需一种能准确预测在每一层上单道扫描累计出现热应力的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于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；

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。

进一步，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。

进一步，所述粉末松装密度的取值范围为40％-60％。

进一步，所述粉末松装密度为50％。

进一步，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。