[发明专利]基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法，包括建立3D打印三维有限元模型，通过控制方程控制热源加载和热量传递，基于有限元模拟软件求解控制方程，得到温度场、温度梯度、熔池凝固速率和熔池形态。本发明建立了激光作用下的温度场有限元模型，同时考虑激光加工过程中粉体‑连续固体‑相变‑凝固问题作用，通过对温度场模型求解主动计算并记录相应点的热物理参数，并准确获得加工过程中的熔池凝固行为，计算结果与实验结果吻合良好。

主权项

一种基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步骤：3D打印三维有限元模型的建立在有限元模拟软件中建立工件的计算几何模型以及定义工件的材料属性，并对工件进行网格划分，最终获得工件的三维有限元模型；第二步骤：控制方程的建立针对第一步建立的三维有限元模型，建立控制方程；所述的控制方程为三维热传导方程，同时根据前述的三维有限元模型，设置三维热传导方程的初始条件、边界条件；第三步骤：3D打印温度场计算根据第二步骤设置的初始条件以及边界条件，采用牛顿‑拉普森方法计算三维热传导方程，得到在三维有限元模型的不同位点施加高斯热源时，三维有限元模型中各网格节点在3D打印过程中随时间变化的温度T，即得到三维有限元模型的温度场；在求解三维热传导方程的过程中，当某网格节点在当下计算步所得到的温度T的数值不小于材料熔点时，记该网格节点温度为T₂，并触发3D打印熔池的凝固速率模型，并根据该凝固速率模型计算出熔池凝固速率v_coo：$v_{coo}=\frac{T_2-T_1}{t}$其中：T₁为同一节点前一计算步得到的温度值，t为三维热传导方程计算时所设置的时间步长。