[发明专利]一种双光束激光粉末床熔融模拟仿真方法

权利要求书

1.一种双光束激光粉末床熔融模拟仿真方法，其特征在于，包括：

步骤一：建立双光束激光粉末床熔融打印过程模型；

步骤二：根据步骤一建立的模型，控制激光运动，并计算、监测激光能量的吸收情况；

步骤三：根据步骤一建立的模型及步骤二对激光运动的控制与激光能量吸收情况计算结果，进一步计算、监测构件温度场、流场的瞬态特征及空间分布；

步骤四：根据步骤一至步骤三双光束激光粉末床熔融过程建模、激光能量吸收率与温度场、流场模拟结果，进一步计算、监测熔池和沉积道的瞬态特征及空间分布。

2.根据权利要求1所述的双光束激光粉末床熔融模拟仿真方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

耦合求解连续性方程、质量守恒方程、能量守恒方程和VOF相方程，其中连续性方程和动量守恒方程：

上式中，为流速，ρ为密度，μ为动态粘度，P为压力，为重力加速度，为网格单元体心的位置矢量，为流体流动时所受到的力，分别是马兰戈尼力、蒸汽反冲压力、表面张力以及糊状区域阻尼力，具体表述如下：

上式中为表面张力温度系数，T为温度，为单位法向矢量，ρ₁和ρ₂分别为固态金属与气体的密度，为界面项，引入该变量是为了将界面力转换为体积力，P₀为压力，H_v为汽化潜热，M为摩尔质量，Tb为金属材料沸点，R为气体常数，γ为金属的表面张力系数，k为金属/气体界面的曲率，Kc为渗透系数为渗透系数，f为熔融金属的体积分数，为避免温度接近固相温度时零作为除数而引入一个极小值e0，f_l由以下方程给出：

上式(7)中T_l和T_s分别是材料液相线温度和固相线温度，

能量守恒方程：

Q_h＝Q_h1+Q_h2 (9)

上式中C_p为比热容，Q_h1与Q_h2定义为1号激光与2号激光的热源，两束激光作用在金属球体粉末项表面，Q_h为两束激光热输入，Q_l是两束激光在打印过程中辐射、对流和蒸发造成的热损失，即：

上式中辐射热损失、对流热损失、蒸发热损失分别表示为：

q_c＝-h_c(T-T_ref) (12)

上式中σ_b为Stefan-Boltzmann常数，ε是发射率，h_c是对流传热系数，T_ref为环境温度，源项S_Latent用于计算固液相转变过程中与潜热有关的能量变化，由下式定义：

S_Latent＝S_pT+S_c (14)

其中H_f为相变潜热，f_l′为前一时间步的迭代值，温度相关的液态金属体积分数函数F及F^-1定义为：

F^-1＝f(T_l-T_s)+T_s (18)

制造过程中金属材料气液界面会随时间和空间的变化而变化，求解VOF相方程计算自由界面的动态形貌：

定义α为金属相的体积分数，若α＝1，则此处内部为金属区域，若α＝0，则单元内部为气体区域，若0＜α＜1即为气体与金属混合区域，在金属/气体界面上，热物性参数由加权函数给出：

ρ＝αρ₁(1-α)ρ₂ (20)

k＝αk₁+(1-α)k₂ (21)

C_p＝αC_p1+(1-α)C_p2 (22)

μ＝αμ₁+(1-α)μ₂ (23)

其中k₁和k₂分别为金属与气体的热导率，C_p1和C_p2分别为金属与气体的比热容，μ₁和μ₂分别为金属与气体的粘度。