[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

说明书

本发明提供一种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，涉及激光选取熔化技术中的计算机辅助工程技术领域，该方法包括：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；介观尺度步骤：建立介观尺度的多层多道扫描模型，将得到的温度场作为输入载荷，提取各向平均塑性应变；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，控制结构打印过程中因残余变形产生的几何偏差。本发明能够体现成形过程中的温度场或应力场特征，且能够体现激光工艺和扫描策略对大型结构的残余变形影响，控制大型结构打印过程中的残余变形。

技术领域

本发明涉及激光选取熔化技术中的计算机辅助工程技术领域，具体地涉及一种计算选区激光熔化成形大型金属结构变形的跨尺度有限元仿真方法，特别涉及一种选区激光熔化成形大型结构件残余变形的跨尺度控制方法及系统。

背景技术

航空航天等高端装备领域对大型、精密、复杂金属构件的需求越来越迫切。选区激光熔化(SLM)技术是一种实现复杂三维零件近净成形的增材制造技术，其特征是利用高能激光束按一定扫描路径熔化单层金属粉末，并以逐层累加形式成形复杂金属构件。与传统制造技术相比，选区激光熔化技术具有生产周期短、材料利用率高的优点，正在成为解决航空航天制造领域关键技术难题的有效途径，具有广阔的应用前景。

公开号为CN109249024B的发明专利，公开了一种选区激光熔化增材制造快速制备金属复合材料成型件的方法，将少量金属或金属复合材料粉末置于成型基板上而非粉末储存室内；在不开零件成型室门的状态下外部操作选区激光熔化设备软件控制零件成型室内的粉末辊轮移动铺粉和成型缸带动基板的升降；在不开零件成型室门的状态下外部操作选区激光熔化设备软件控制激光器选择性熔化粉末。

在零件SLM成形过程中，高能量激光热源的局部热输入带来了不均匀快速熔化凝固过程，产生了极大的温度梯度，使零件内部产生了较高的残余应力，进而发生零件热变形，甚至会导致构件发生翘曲变形、甚至开裂，中断零件打印成形过程。对于大型结构来说，残余应力的影响更加显著，成形过程风险更大，废件成本更高。因此需要采用数值模拟技术对零件整体成形过程进行仿真，预测最终应力和变形结果，为后续工艺参数的选取优化提供参考依据。

对于数值模拟来说，基于热弹塑性理论的传统单一尺度热力耦合模型可以有效预测小尺寸金属构件的残余应力和变形，但针对大型构件变形的计算成本过高，在预测大型构件变形方面没有优势。工程应用中通常首先采用试验方法针对特定打印工艺标定材料等效固有应变，然后通过固有应变法进行大型结构的变形预测，这种方法操作复杂，耗时较长且成本较高，且无法反映激光工艺参数与结构变形间的映射关系，不利于后期通过优化工艺参数调控改善大型结构在打印过程中的整体变形。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种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。

根据本发明提供的一种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，所述方案如下：

第一方面，提供了一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法，所述方法包括：

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。