高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术展示高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置，其装置，包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；其校验方法，如下，1，对高能束增材制造加工中的熔覆过程及热‑变形‑应变实时实验测量；2，建立模型框架，输入材料属性并划分网格；完成了有限元温度场的校准；3，设置力场边界条件并将校准的温度场结果作为力场计算的初始条件，得到基板变形及应变场结果；完成有限元力场的校准；即完成了高能束增材制造有限元热力耦合模型的校准。本发明专利技术既能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，有能为建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法提供科学指导，促进增材制造技术获得更广泛的应用。

Calibration method and data measuring device for thermal mechanical coupling model of high energy beam manufacturing

The invention shows a calibration method and a data measuring device for the thermomechanical coupling model of the high energy beam adding material manufacturing, including a worktable, a fixture system and a data acquisition system installed on a worktable, and the calibration method is as follows. 1. Strain real time experimental measurement; 2, establish the model frame, input material properties and partition grid; complete the calibration of finite element temperature field; 3, set the boundary conditions of the force field and take the results of the calibrated temperature field as the initial conditions of the force field calculation, get the base plate deformation and strain field result, complete the calibration of the finite element force field; that is, the finite element force field is completed. It has been calibrated for the coupled thermo mechanical model of high energy beam manufacturing. The invention can not only provide reliable experimental data for the simulation of high energy beam materials, but also provide scientific guidance for the establishment of the process methods to effectively control the deformation of the base plate and forming parts, and promote the more extensive application of the technology.

【技术实现步骤摘要】
高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置
本专利技术涉及增材制造领域，具体为一种高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置。
技术介绍
高能束增材制造技术是基于快速原型制造技术原理发展起来的高性能金属增材制造技术，可以分为预铺粉和同步送粉或送丝两种，高能束一般包括等离子束、电子束、激光束和电弧等。对于高能束增材制造同步送粉或送丝技术，成形件均在预制基板上熔覆成形。在熔覆过程中，熔池附近区域经受不均匀的急冷急热作用，熔池凝固收缩，变化的温度场和巨大的温度梯度引起的温度应力，组织转变引起的组织应力，成形件与基板变形不协调引起的阻碍应力，其综合作用导致基板与成形件变形失真，严重影响成形件的精度，降低成形件的力学性能。基板和成形件的变形是高能束增材制造中不可避免的问题之一，该问题也是高能束增材制造技术研究中普遍关注和致力解决的关键问题。因此探明增材制造过程中基板和成形件的热-变形-应变演变规律，明确变形机制及应力分布情况并进行有效控制，对提高成形件的精度及力学性能具有重要意义。目前对高能束增材制造过程还没有一套完整的热-变形-应变原位实时测量装置，现有的高能束增材制造原位测量技术主要是对基板进行温度及变形的测量，少有对成形件的温度和应变进行原位实时测量。目前大部分学者采用表面轮廓测量仪、激光三维扫描仪等手段获得增材制造加工结束后基板的最终变形，此方法只能对加工结束后的基板进行变形测量，而不能揭示增材制造过程中加工零件的实时变形规律。有学者采用位移传感器对基板变形进行实时测量，但也只能测量基板的变形情况。目前的原位测量方法都比较单一并且有很大的局限性，不能全场监测热力场的演变过程，无法为增材制造有限元热力耦合模型提供全套的实验验证数据。总的来说，随着高能束增材制造的发展，成形件在成形过程中的变形甚至开裂问题一直未得到有效的解决，这严重影响了成形过程的进行和成形件的质量。如果能对高能束增材制造过程基板和成形件的温度场、变形、应变场和应力场演化行为进行实时精确测量，不仅能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，从而建立准确的热力耦合模型，以便进行大尺寸复杂结构件的热力场分析，而且能了解成形过程成形件的变形甚至开裂机制，为建立有效控制变形及应力的工艺方法提供科学指导，进而采取有效的控制措施进行改善甚至消除。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置，装置结构简单，方法灵活准确，能够实时同步监测，不仅能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，而且能为建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法提供科学指导，促进增材制造技术获得更广泛的应用。本专利技术是通过以下技术方案来实现：高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；所述的夹具系统包括依次从上向下固定设置的基板固定板、上支架和下支架；基板固定板固定在上支架上端单边夹持固定基板，上支架和下支架之间固定夹持设置与基板平行设置的位移传感器固定板；上支架的一侧固定设置热电偶测温架；所述的数据采集系统包括通过热电偶测温架设置在热电偶测温点的热电偶，固定在位移传感器固定板上的位移传感器，与热电偶测温架相对设置的三维数字动态散斑应变测量仪，以及与上支架相对设置的热成像仪；位移传感器的测量头设置在基板下端，三维数字动态散斑应变测量仪和热成像仪的采集端均对准基板和加工区。优选的，所述的热电偶测温架上设置有若干插孔，插孔内设置有刚玉管；热电偶的测温头穿过刚玉管且裸露于刚玉管靠近加工区的端部，热电偶的热电偶丝焊接在退火态基板的不同位置处。优选的，三维数字动态散斑应变测量仪包括呈角度设置的第一三维数字动态散斑应变测量仪镜头和第二三维数字动态散斑应变测量仪镜头；三维数字动态散斑应变测量仪设置在与工作台固定的应变测量仪支架上，应变测量仪支架的高度和角度均能够调整。优选的，热成像仪设置在与工作台固定的热成像仪支架上，热成像仪支架的高度和角度均能够调整。优选的，位移传感器的传感头设置在基板底部远离加持端的一侧。高能束增材制造有元热力耦合模型的校验方法，包括如下步骤，步骤1，将上述任意一校验数据测量装置初始化，对高能束增材制造加工中的熔覆过程及热-变形-应变实时实验测量；数据记录仪采集热电偶测温数据和位移传感器的位移信号，热成像采集系统收集温度场信号，三维数字动态散斑应变测量数据采集系统收集应变场信号；步骤2，建立高能束增材制造有限元热力耦合模型框架，输入材料属性并划分网格；然后根据经验设置初始温度场边界条件，利用所建立的模型模拟计算成形过程的温度场，将模拟结果与热电偶测温数据及热成像采集系统所测的温度场结果进行对比分析，根据模拟与实验测量结果差异调整温度场边界条件，直到模拟结果与实验测量结果匹配，完成了有限元温度场的校准；步骤3，根据实验加工过程设置力场边界条件并将校准的温度场结果作为力场计算的初始条件，利用模型模拟计算成形过程的力场演化过程，得到基板变形及应变场结果；将模拟的基板变形及应变场结果与实验所测的基板变形和应变场结果进行对比分析，依据误差调整力场边界条件，直到模拟结果能与实验测量结果匹配，完成了有限元力场的校准；即完成了高能束增材制造有限元热力耦合模型的校准。优选的，将热电偶和位移传感器与数据记录仪相连接，并进行调试，准备接收温度信号和变形信号；调试热成像仪数据采集系统，准备接收热成像信号；调试三维数字动态散斑应变测量仪数据采集系统，准备接收应变信号。优选的，步骤1中，实时实验测量时，根据热电偶测温数据能够得到成形件测量位置的温度变化；数据采集仪记录位移传感器输出的电压信号，并根据位移与电压转换关系将提取的电压信号转换成位移信号得到基板的实时变形过程。优选的，步骤1中，对成形过程中热成像仪的辐射率和能量传输率进行校准；利用热电偶所测量的测温点准确温度值对热成像仪监测的对应点温度数值进行校准，即获得热成像仪监测过程中准确的辐射率和能量传输率，然后对整个成形过程中热成像相机视场下所有测温点采用所得的准确的辐射率和能量传输率，完成热成像仪校准。优选的，步骤2中，初始温度场边界条件包括能量吸收率、对流系数及热辐射率。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术一种高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，基于热电偶及热成像综合测温技术、位移传感器变形测量技术和三维数字动态散斑应变测量技术，能够可实时同步监测基板及成形件温度场和全场应变及变形，明晰基板和成形件热-变形-应变的演化规律；实现了高能束增材制造过程中对基板变形、对基板和成形件温度场、以及对基板和成形件应变场的实时监测目的，达到了高能束增材制造过程中对的实时监测目的，得到校验后的模型，利用校准的模型即可分析成形过程中任一时刻的温度场、变形、应变场及应力场，并能探究温度场与力场演化之间的相互影响机制。为高能束增材制造模拟仿真提供了可靠的实验验证手段，为建立高能束增材制造过程热-组织-变形序贯耦合模型的验证提供了科学的实验数据。本专利技术高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，利用热电偶、热成像仪、位移传感器、三维数字动态散斑应变测量仪实现了同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，其特征在于，包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；所述的夹具系统包括依次从上向下固定设置的基板固定板(2)、上支架(3)和下支架(5)；基板固定板(2)固定在上支架(3)上端单边夹持固定基板(13)，上支架(3)和下支架(5)之间固定夹持设置与基板(13)平行设置的位移传感器固定板(8)；上支架(3)的一侧固定设置热电偶测温架(17)；所述的数据采集系统包括通过热电偶测温架(17)设置在热电偶测温点的热电偶(9)，固定在位移传感器固定板(8)上的位移传感器(10)，与热电偶测温架(17)相对设置的三维数字动态散斑应变测量仪，以及与上支架(3)相对设置的热成像仪(11)；位移传感器(10)的测量头设置在基板下端，三维数字动态散斑应变测量仪和热成像仪(11)的采集端均对准基板(13)和加工区。

【技术特征摘要】
1.高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，其特征在于，包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；所述的夹具系统包括依次从上向下固定设置的基板固定板(2)、上支架(3)和下支架(5)；基板固定板(2)固定在上支架(3)上端单边夹持固定基板(13)，上支架(3)和下支架(5)之间固定夹持设置与基板(13)平行设置的位移传感器固定板(8)；上支架(3)的一侧固定设置热电偶测温架(17)；所述的数据采集系统包括通过热电偶测温架(17)设置在热电偶测温点的热电偶(9)，固定在位移传感器固定板(8)上的位移传感器(10)，与热电偶测温架(17)相对设置的三维数字动态散斑应变测量仪，以及与上支架(3)相对设置的热成像仪(11)；位移传感器(10)的测量头设置在基板下端，三维数字动态散斑应变测量仪和热成像仪(11)的采集端均对准基板(13)和加工区。2.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，其特征在于，所述的热电偶测温架(17)上设置有若干插孔，插孔内设置有刚玉管；热电偶(9)的测温头穿过刚玉管且裸露于刚玉管靠近加工区的端部，热电偶(9)的热电偶丝焊接在退火态基板的不同位置处。3.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，其特征在于，三维数字动态散斑应变测量仪包括呈角度设置的第一三维数字动态散斑应变测量仪镜头(4)和第二三维数字动态散斑应变测量仪镜头(6)；三维数字动态散斑应变测量仪设置在与工作台固定的应变测量仪支架(7)上，应变测量仪支架(7)的高度和角度均能够调整。4.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，其特征在于，热成像仪(11)设置在与工作台固定的热成像仪支架(12)上，热成像仪支架(12)的高度和角度均能够调整。5.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，其特征在于，位移传感器(10)的传感头设置在基板(13)底部远离加持端的一侧。6.高能束增材制造有元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，将权利要求1-5中任意一项所述的校验数据测量装置初始化，对高能束增材制造加工中的熔覆过程及热-变形-应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：林鑫，鹿旭飞，马良，杨海欧，谭华，胡云龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61