[发明专利]选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统

权利要求书

1.一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，包括：

微观尺度步骤：建立微观尺度的单层单道扫描模型，选定粉末材料属性和高斯热源模型参数，并对单层单道扫描过程进行热仿真分析，计算简化等效热源作为介观尺度模型热源；

介观尺度步骤：建立介观尺度的多层多道扫描模型，按扫描顺序依次对扫描道施加简化等效热源并进行热仿真分析，将得到的温度场作为输入载荷，依序激活扫描道开展热力耦合分析，从结果中提取中央区域的各向平均塑性应变，作为宏观尺度模型的材料固有应变；

宏观尺度步骤：建立宏观尺度的结构件模型，对结构有限元模型单元沿成形方向逐层激活，加载各向平均塑性应变后，通过力学仿真得到零件最终变形，并通过变形补偿手段控制结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。

2.根据权利要求1所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述微观尺度步骤中微观尺度单层单道扫描模型建立和计算方法包括：

建立几何模型并划分网格；

建立热源模型，输入材料属性，设置热边界条件；

分时间步移动热源并进行温度场求解，得到温度时历曲线和分布曲线，计算等效热源T_e(y，z，t)。

3.根据权利要求2所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述介观尺度步骤中介观尺度多层多道扫描模型的建立和计算方法包括：

建立几何模型并划分网格，输入材料属性，设置热边界条件，杀死所有粉床单元；

激活当前粉层，按扫描顺序依次在扫描道上先施加简化等效热源T_e(y， z，t)，再移除等效热源T_e(y，z，t)进行冷却，对该过程进行温度场求解，直至所有粉层计算完毕；

将热模拟单元类型转换至结构模拟单元类型，施加位移边界条件，杀死所有粉床单元；

通过生死单元法依序激活扫描道，读取对应的温度场，进行应力场求解，直至所有粉层的所有扫描道全部激活并计算完毕；

计算粉床内部的平均塑性应变，作为宏观尺度模型材料的等效固有应变。

4.根据权利要求2所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述宏观尺度步骤中宏观尺度结构件模型的建立和计算方法包括：建立几何模型并划分网格，将固有应变值换算成材料热膨胀系数加载在结构件模型上，再与基板连接位置施加固定边界条件；

杀死所有单元后，沿成形方向依次激活单元并进行力学仿真分析；

模拟零件从基板切除的线切割过程，输出零件最终变形。

5.根据权利要求2所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述介观尺度多层多道模型的激光等效热源T_e(y，z，t)的计算表达式为：

T_e(y，z，t)＝T(y)*k₁(z)*k₂(t)

其中，T_e(y，z，t)表示介观尺度多层多道模型中的激光等效热源；

y，z分别y轴和z轴坐标值；

t表示时间；

T(y)表示熔池横截面处粉床表面的温度分布曲线；

k₁(z)表示熔池中心沿深度方向的温度分布系数；

k₂(t)表示熔池中心的温度时历系数。

6.根据权利要求3所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，针对多层多道模型的计算结果，对中央区域内部节点的塑性应变取平均值，作为宏观尺度模型材料的固有应变，该区域长宽高应分别占粉床区域长宽高的1/4～1/2。

7.根据权利要求5所述的选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，其特征在于，所述T(y)，k₁(z)和k₂(t)三个函数能够直接调用微观尺度单层单道模型的模拟结果，也能够将该模拟结果拟合获得对应的拟合函数。