一种基于熔滴过渡的电弧增材成形预测建模方法技术

本发明专利技术涉及一种电弧增材成形过程数值计算建模方法，所述方法将熔池流场计算与熔滴过渡过程进行耦合，通过考虑焊枪移动、采用动网格技术更新计算域、在熔池计算域和熔滴过渡计算域统一求解输运方程，实现电弧增材制造成形形貌、温度场及流场模拟预测，解决以往电弧增材熔覆层尺寸无法预知以及物理场演变不明确的问题。本发明专利技术通过以下步骤实现：步骤一：建立材料、几何模型，定义计算域及边界条件；步骤二：建立熔滴力学模型，确定熔滴过渡计算域输运方程源项；步骤三：建立熔池热力学模型，确定熔池计算域输运方程源项；步骤四：加载热力学源项，统一求解熔滴与熔池计算域输运方程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于熔滴过渡的电弧增材成形预测建模方法
本专利技术涉及一种电弧增材制造数值计算建模方法，尤其针对电弧增材制造熔覆层成形形貌及温度场、流场的模拟预测。
技术介绍
增材制造技术是一种基于CAD模型采用金属或非金属材料逐层累计直接成形三维构件的技术，是大批量制造模式向个性化定制模式转变的引领技术。金属增材制造技术以电弧、激光或电子束为热源，通过熔化焊丝或者粉末实现构件的打印，整个过程无需模具，生产效率高及材料利用率高，成本较低。成形精度和成形性能是金属增材制造两个核心问题。一般地，成形精度的控制首先需要根据大量的试验建立增材工艺参数与单道熔覆层宽度和高度的回归关系，其次还需通过单道熔覆层形貌建立其轮廓模型，校核确定熔覆层抬升量。整个过程不仅耗时较长，材料浪费严重，而且拟合尺寸参数往往与实际仍存在一定误差。成形性能决定着构件服役性能，金属增材制造随着熔覆层高度的增加，热累积效应显著，必然对最终的微观组织和力学性能产生重要的影响。通过实验的手段控制层间冷却时间以及添加辅助机械设备调控增材组织取得了一定成效，但是这种方法仍然停留在定性分析的基础上，无法再现温度场、流场以及微观组织的演变历程。数值模拟技术是继试验、理论研究之后的第三种研究手段，是成分、组织、结构设计与制造一体化工程的关键桥梁。数值模拟技术通过离散、求解描述各物理场的控制方程，结合一定的边界条件可以较准确模拟预测实际物理过程各物理现象，特别是再现温度场、应力场、流场以及微观组织等演变历程。然而，目前电弧增材制造温度场、应力场、流场计算大部分是基于事先画好的熔覆层形貌进行仿真分析，当改变工艺参数时熔覆层形貌发生变化，又需重新建模，这无疑大大增加了仿真工作量。通过在质量守恒方程中添加质量源项进行熔覆层形貌直接预测可以改善上述这一缺陷，但该方法又忽略了熔滴过渡过程复杂的受力情况以及进入熔池后对熔池造成的冲击，这在一定程度上限制了模拟预测的精度。综上所述，基于熔滴过渡，考虑熔滴的过渡状态对熔池的作用，实现对金属增材成形形貌、温度场及流场的准确模拟对优化确定工艺参数，控制成形精度，调控微观组织，提升力学性能以及物理机制研究具有重要意义。特别是在当下国内增材制造工业背景下，研究电弧增材物理机制，实现成形过程准确建模具有一定的迫切性。
技术实现思路
电弧增材制造过程熔滴过渡到基板形成的熔覆层尺寸形貌在增材试验前无法预知，导致增材区域物理场建模分析无法直接进行。本专利技术开发了一种基于熔滴过渡的电弧增材制造有限体积建模方法，以期通过输入工艺参数直接准确模拟熔覆层尺寸形貌以及温度场和流场。本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案包括如下步骤：步骤一：建立材料、几何模型，定义计算域及边界条件：(1.1)、定义电弧增材制造工艺参数、材料热物理性能参数；(1.2)、根据增材制造目标试件尺寸，建立几何模型，并进行区域离散；(1.3)、定义基板区域为金属域，增材区域为空气域，金属域作为初始熔池计算域，空气域作为初始熔滴过渡计算域，空气域与金属域界面为内部边界；(1.4)、定义空气域上表面为速度入口边界，焊丝所在位置入口速度为送丝速度Vw，入口温度为熔滴形成温度Td，其它位置入口速度为0，入口温度为环境温度T0，焊丝以速度VT沿焊接方向移动；当前一熔覆层熔覆结束后，速度入口边界通过动网格技术沿熔覆层高度方向运动，更新空气计算域网格，运动距离为焊枪抬升高度；步骤二：建立熔滴力学模型，确定熔滴过渡计算域输运方程源项：(2.1)、使用VOF模型追踪熔滴自由表面，确定熔滴过渡过程熔滴长度H0及熔滴体积VD：公式一：公式一中F为单元内流体体积分数，t为时间，u为径向速度，r为径向位移，v为轴向速度，z为轴向位移；(2.2)、液态金属以恒定速度Vw，恒定温度Td从焊丝端部流出，经历熔滴形成、长大、分离后进入熔池的熔滴过渡过程；熔滴过渡过程所受到的力包括表面张力、重力、等离子流力和电磁收缩力：公式二：Fs＝γk公式三：Fg＝ρg公式四：Fp＝CdApρfvf2/(2*ρVD)公式五：公式二中Fs为表面张力，γ是表面张力系数，k为熔池自由表面曲率半径；公式三中Fg为重力，ρ为液态金属密度，g为重力加速度；公式四中，Fp是等离子流力，Cd是等离子流系数，Ap是等离子流作用面积，ρf是等离子流力作用面积，vf是等离子流速度，VD为熔滴体积；公式五中，是电磁收缩力，是电流密度，为磁感应强度；(2.3)、将表面张力通过连续表面力方法转化为体积力，并整理熔滴所有受力沿熔滴过渡方向和垂直熔滴过渡方向的分量，即轴向分量和径向分量，作为熔滴过渡输运方程力学源项：公式十四：公式十五：公式十六：公式十七：Fdz＝Fsz′+Fg+Fp-Jr*Bθ公式十八：Fdr＝Fsr′-Jz*Bθ公式十四至公式十六中，Fs′为体积力形式的表面张力，Fsz′和Fsr′分别为表面张力沿轴向和径向的分量，ρgas为空气域气体密度；公式十七和十八中Fdz和Fdr分别为熔滴所有受力沿轴向和径向的分量，在求解时，Fdz和Fdr作为力学源项参与到熔滴过渡计算域动量方程求解过程；步骤三：建立熔池热力学模型，确定熔池计算域输运方程源项：(3.1)、加载双椭球热源模型，热源中心位于基板或前一熔覆层表面，随电弧一起移动，热流密度作为熔池计算域能量输运方程源项：公式十九：公式二十：公式十九、公式二十分别为前后半椭球热流密度分布，其中ff、fr分别为前后半椭球热量分配系数，两者之和等于2；(x0,y0,z0)为每层焊枪起焊位置，η为热输入效率，U为焊接电压，VT是熔覆速度，t是时间，af为前半椭球半轴长，ar是后半椭球半轴长，b和c分别为对应半椭球的半宽和深度；(3.2)、计算电弧增材制造过程熔池金属所受表面力以及体积力，熔池金属所受表面力包括表面张力、电弧压力、Marangoni力；体积力包括浮力、电磁力和重力：熔池表面张力和重力计算模型与熔滴一致，满足公式二和公式三；熔池表面电弧压力呈高斯分布：公式二十：公式二十中，σp是电弧压力分布半径；熔池自由表面Marangoni力满足：公式二十一：公式二十一中T是温度，s为熔池表面切向矢量；采用Boussinesq近似，由密度变化引起的浮力满足：公式二十二：G＝-ρgβ(T-Tm)公式二十二中，β表示热膨胀系数，Tm为金属材料熔点；熔池中电流与自感应磁场相互作用产生电磁力：公式二十三：公式二十四：公式二十五：公式二十三至公式二十五分别为熔池轴向和径向电流密度、磁感应强度，其中σj为电流分布参数，L是基板厚度；(3.3)、采用连续表面力方法将熔池所受表面力转化为体积力，并整理熔池所有受力沿径向和轴向的分量，作为熔池流体流动输运方程源项：公式二十六：公式二十七：公式二十八：...

【技术保护点】
1.一种基于熔滴过渡的电弧增材成形预测建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：建立材料、几何模型，定义计算域及边界条件：/n(1.1)、定义电弧增材制造工艺参数、材料热物理性能参数；/n(1.2)、根据增材制造目标试件尺寸，建立几何模型，并进行区域离散；/n(1.3)、定义基板区域为金属域，增材区域为空气域，金属域作为初始熔池计算域，空气域作为初始熔滴过渡计算域，空气域与金属域界面为内部边界；/n(1.4)、定义空气域上表面为速度入口边界，焊丝所在位置入口速度为送丝速度V

【技术特征摘要】
1.一种基于熔滴过渡的电弧增材成形预测建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立材料、几何模型，定义计算域及边界条件：
(1.1)、定义电弧增材制造工艺参数、材料热物理性能参数；
(1.2)、根据增材制造目标试件尺寸，建立几何模型，并进行区域离散；
(1.3)、定义基板区域为金属域，增材区域为空气域，金属域作为初始熔池计算域，空气域作为初始熔滴过渡计算域，空气域与金属域界面为内部边界；
(1.4)、定义空气域上表面为速度入口边界，焊丝所在位置入口速度为送丝速度Vw，入口温度为熔滴形成温度Td，其它位置入口速度为0，入口温度为环境温度T0，焊丝以速度VT沿焊接方向移动；当前一熔覆层熔覆结束后，速度入口边界通过动网格技术沿熔覆层高度方向运动，更新空气计算域网格，运动距离为焊枪抬升高度；
步骤二：建立熔滴力学模型，确定熔滴过渡计算域输运方程源项：
(2.1)、使用VOF模型追踪熔滴自由表面，确定熔滴过渡过程熔滴长度H0及熔滴体积VD：
公式一：
公式一中F为单元内流体体积分数，t为时间，u为径向速度，r为径向位移，v为轴向速度，z为轴向位移；
(2.2)、液态金属以恒定速度Vw，恒定温度Td从焊丝端部流出，经历熔滴形成、长大、分离后进入熔池的熔滴过渡过程；熔滴过渡过程所受到的力包括表面张力、重力、等离子流力和电磁收缩力：
公式二：Fs＝γk
公式三：Fg＝ρg
公式四：Fp＝CdApρfvf2/(2*ρVD)
公式五：
公式二中Fs为表面张力，γ是表面张力系数，k为熔池自由表面曲率半径；公式三中Fg为重力，ρ为液态金属密度，g为重力加速度；公式四中，Fp是等离子流力，Cd是等离子流系数，Ap是等离子流作用面积，ρf是等离子流力作用面积，vf是等离子流速度，VD为熔滴体积；公式五中，是电磁收缩力，是电流密度，为磁感应强度；
(2.3)、将表面张力通过连续表面力方法转化为体积力，并整理熔滴所有受力沿熔滴过渡方向和垂直熔滴过渡方向的分量，即轴向分量和径向分量，作为熔滴过渡输运方程力学源项：
公式十四：
公式十五：
公式十六：
公式十七：Fdz＝Fsz′+Fg+Fp-Jr*Bθ
公式十八：Fdr＝Fsr′-Jz*Bθ
公式十四至公式十六中，Fs′为体积力形式的表面张力，Fsz′和Fsr′分别为表面张力沿轴向和径向的分量，ρgas为空气域气体密度；公式十七和十八中Fdz和Fdr分别为熔滴所有受力沿轴向和径向的分量，在求解时，Fdz和Fdr作为力学源项参与到熔滴过渡计算域动量方程求解过程；
步骤三：建立熔池热力学模型，确定熔池计算域输运方程源项：
(3.1)、加载双椭球热源模型，热源中心位于基板或前一熔覆层表面，随电弧一起移动，热流密度作为熔池计算域能量输运方程源项：
公式十九：
公式二十：
公式十九、公式二十分别为前后半椭球热流密度分布，其中ff、fr分别为前后半椭球热量分配系数，两者之和等于2；(x0,y0,z0)为每层焊枪起焊位置，η为热输入效率，U为焊接电压，VT是熔覆速度，t是时间，af为前半椭球半轴长，ar是后半椭球半轴长，b和c分别为对应半椭球的半宽和深度；
(3.2)、计算电弧增材制造过程熔池金属所受表面力以及体积力，熔池金属所受表面力包括表面张力、电弧压力、Marangoni力；体积力包括浮力、电磁力和重力：
熔池表面张力和重力计算模型与熔滴一致，满足公式二和公式三；熔池表面电弧压力呈高斯分布：
公式二十：
公式二十中，σp是电弧压力分布半径；熔池自由表面Marangoni力满足：
公式二十一：
公式二十一中T是温度，s为熔池表面切向矢量；采用Boussinesq近似，由密度变化引起的浮力满足：
公式二十二：G＝-ρgβ(T-Tm)
公式二十二中，β表示热膨胀系数，Tm为金属材料熔点；熔池中电流与自感应磁场相互作用产生电磁力：
公式二十三：
公式二十四：
公式二十五：
公式二十三至公...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳红，赵文勇，刘仁培，欧文敏，陈纪城，蔡佳思，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32