【技术实现步骤摘要】
一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法
本专利技术属于电弧增材制造过程数值模拟
技术介绍
金属增材制造技术以丝材或粉末为熔覆材料，创新性地基于CAD模型直接形成形状各异的构件，具有响应时间短、材料利用率高、生产成本低等优势，在高效制造、资源节约、个性化定制的发展环境下脱颖而出，并且在航空、船舶、医疗等领域得到了应用。电弧增材制造核心控制要素包括成形精度和成形性能。成形精度及成形性能均与熔池热历程及流体流动特性密切相关，熔池热历程及流体流动共同决定着熔宽、熔深、余高大小以及金属凝固后的缺陷、组织取向分布。传统的试验手段对成形精度控制研究是基于一定的经验模型或者人工神经元网络建立起工艺参数与熔覆层形貌尺寸参数之间的关系，实现熔覆层尺寸大小地预测，但在一定程度上忽略了成形尺寸对热历程及支撑面状态地依赖，难以揭示电弧增材制造过程复杂的成形物理机理。数值模拟技术是继试验、理论之后的又一科学研究方法。采用数值模拟技术对电弧增材制造过程进行数值模拟，不仅可以预测熔覆层形貌尺寸，还可以再现复杂的传热传质过...
【技术保护点】
1.一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：/n步骤1：建立增材两相流计算域几何模型，并定义计算域边界条件和熔滴的初始状态；所述熔滴的初始状态包括预设的初始温度T
【技术特征摘要】
1.一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：建立增材两相流计算域几何模型，并定义计算域边界条件和熔滴的初始状态；所述熔滴的初始状态包括预设的初始温度Td0、初始形状、下落速度vd以及下落高度；
步骤2：建立圆柱坐标系，并基于该圆柱坐标系建立首层熔覆层形貌尺寸提取模型；预设形成首层熔覆层的每个熔滴的下落高度，且该每个熔滴的下落高度相同；根据首层熔覆层形貌尺寸提取模型，确定熔滴的逐层抬升高度Δh；
步骤3：令形成当前熔覆层的每滴熔滴的初始形状均为球状，基于熔覆工艺参数确定球状熔滴的下落初始半径rd；
步骤4：简化电弧对熔滴的作用，只考虑重力和等离子流力对熔滴的影响，从而确定每滴熔滴的下落速度vd；
步骤5：构建电弧增材热-流耦合控制方程组，该方程组包括：动量方程、连续性方程和能量方程；基于步骤1建立的边界条件求解动量方程、连续性方程和能量方程，从而得到初始半径为rd、初始温度为Td0和下落速度为vd的熔滴从相应的下落高度下落后形成的熔覆层的形貌、温度场和流场信息；
步骤6：根据当前层的熔滴的下落高度与Δh，确定形成下一层熔覆层的熔滴的下落高度；当当前熔覆层冷却至预设的温度后转步骤3，继续形成下一层熔覆层，并计算下一层熔覆层的形貌、温度场和流场信息，直到计算完所有的熔覆层。
2.根据权利要求1所述的一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，所述步骤1中的计算域几何模型包括金属计算域和空气计算域，其中金属计算域为初始的金属基板，空气计算域的长和宽与初始金属基板的长和宽相同，高度根据熔覆层的层数预设，所述空气计算域中包括熔覆层和熔滴；
所述边界条件包括：内部界面、压力出口边界和壁面边界；所述内部界面为空气计算域与金属计算域的交界面，所述压力出口边界为空气计算域中除交界面以外的其他表面，所述壁面边界为金属计算域中除交界面以外的其他表面。
3.根据权利要求2所述的一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：采用流体体积分数法追踪熔覆层自由界面，从而构造首层熔覆层形貌尺寸提取模型：
其中，F为熔覆层的金属体积分数，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，F为1时表示金属，F为0时表示空气，在0和1之间表示金属与空气混合态；在熔滴形成时，将空气计算域中与熔滴球心距离小于rd的区域的金属体积分数赋值为1；
通过统计熔覆层截面金属体积分数为1的单元数，确定熔覆层横截面面积Sa及熔覆层宽度Wa，基于单位时间内熔覆金属量相等原则，由第一层横截面面积及第一层熔覆层宽度得到每层熔覆结束后熔滴的抬升高度Δh为：
4.根据权利要求1所述的一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，所述步骤3具体为，根据质量守恒定律得到球状熔滴初始半径为：
其中，Vw为送丝速度，rw为焊丝半径，fd为熔滴周期性过渡频率。
5.根据权利要求1所述的一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，所述步骤4中熔滴下落速度vd只受重力和等离子流力的影响，则vd为：
其中，l是电弧长度，Vw为送丝速度，a为熔滴脱落焊丝端部时的加速度，其中a的...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳红，赵文勇，欧文敏，郭凯，刘仁培，
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
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