基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法技术

本发明专利技术提出了一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，用以解决现有电子束同轴熔丝增材制造工艺周期长、效率低，成本大的问题。本发明专利技术的具体步骤为：步骤一：利用ANSYS仿真软件建立有限元模型；步骤二：定量模拟分析热源的形状参数对计算结果的影响，确定热源合适的形状参数值；步骤三：多节点/多任务集成计算模拟，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响。本发明专利技术能够量化加工参数对熔池温度和形貌的影响，可以反映熔池温度和形貌变化规律，减少工业生产中大量的实验测量，从而有效降低生产中实验调控的研发成本，且仿真模拟能够获得较高精度，便于实际实验对比分析以及提升成型件质量。

【技术实现步骤摘要】
基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法
本专利技术涉及电子束同轴熔丝增材制造工艺的
，具体涉及电子束快速成形、增材制造、ANSYS参数化仿真以及高通量集成计算分析，属于增材制造、参数化仿真和高通量计算的交叉领域，尤其涉及一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法。
技术介绍
电子束同轴熔丝增材制造成形技术(Electronbeamcoaxialfuseadditivemanufacturing，简称EBF)是将“材料制备/精确成形”有机融为一体的高端装备与智能制造技术，利用真空环境下的高能电子束流作为热源，直接作用于工件表面，在前一层增材或基材上形成熔池；送丝系统将丝材送入，丝材受电子束加热融化，形成熔滴，随着工作台的移动，使熔滴沿着一定的路径逐滴沉积进入熔池，熔滴之间紧密相连，从而形成新一层的增材，层层堆积，直至零件完全按照设计的形状成形。EBF加工过程一般是在真空环境下进行的，工作时产生的热量只有通过与之相接触的工作台传导，因此整个加工过程散热较为缓慢，并且随着材料堆积层数的增加，工作台的散热效果越来越差，导致热量积累严重，容易导致沉积体组织上下不均匀或增材层熔池侧漏。而通过调控加工过程中的工艺参数可以极大地避免这些现象产生，因此优化EBF加工工艺首先需要量化工艺参数对熔池温度以及形貌的影响。由于EBF加工条件的特殊性，熔池的温度、形貌和流动等属性不易被检测。目前在工业生产中多采用传统的经验和试错方法进行工艺研究，这种方法需要以大量的实验作基础，不仅周期长、效率低，而且成本消耗巨大，不利于生产盈利。因此，如何高效获取EBF加工过程中熔池的温度和形貌参数，成为本领域技术人员急需解决的问题。20世纪以来，随着计算机行业的迅速发展，数值模拟与高通量集成计算技术应运而生。模拟仿真技术可以弥补实验过程中难以预测的物化过程，通过高通量集成计算，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响，为实际生产提供更多的指导，帮助研究人员和工程师们更好的预测加工零件的质量和性能。
技术实现思路
针对现有电子束同轴熔丝增材制造工艺周期长、效率低，成本大的技术问题，本专利技术提出一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，建立温度场有限元模型并量化加工参数对熔池温度及形貌的影响，减少工业生产中大量的实验测量，从而有效降低生产中实验调控的研发成本，相较与其他工艺理论具有更加突出的优势。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，其步骤如下：步骤一：利用ANSYS仿真软件建立有限元模型，进行加工模拟计算；步骤二：利用有限元模型定量模拟分析热源的形状参数对计算结果的影响，确定合适的形状参数值；步骤三：利用步骤二得到的形状参数值多节点/多任务集成计算模拟，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响。所述步骤一中的有限元模型为熔池瞬态传热的目标工件的有限元模型，有限元模型的网格划分时采用大小不等的渐变式网格分布：在温度梯度变化大的加工和热影响区采用较为密集的网格，在温度梯度变化相对较小的区域采用稀疏的网格。在加工模拟计算时，热源的分布根据哈雷彗星移动时的形貌简化得来，由于加工过程中电子束沿加工方向运动，受到电子束移动速度的影响，形成的熔池形状不是简单的关于电子束中心线对称的单个半椭球体，而是电子束前、后形状不同的双半椭球体；前后双半椭球体内的热源分布形式即热流密度分布q(x,y,t)为：式中：η为热效率系数，Q为热输入功率，f1和f2分别为前后两部分椭球体的能量分配系数，且满足f1+f2＝2；A1、A2、B、C为热源的形状参数；v为电子束移动速度；t为加工时长；x、y、z为热流密度方程中自变量，方向与有限元模型中一致。所述步骤二中的定量模拟分析是通过国家超级计算中心的高性能超算平台进行高通量集成计算：相同电子束功率和移动速度下不同热源形状参数的多组计算数据，定量分析形状参数对计算结果产生的影响，根据所得温度场结果与试验结果进行对比，选取最优的热源形状参数值。所述步骤三中的集成计算模拟为：利用步骤一的有限元模型，通过高性能超算平台对加工过程进行多节点/多任务的高通量集成计算，采取多组不同的加工参数进行模拟分析，从中提取熔池的形貌长度和温度数据，定量分析各个加工参数对熔池温度及形貌的影响，获得熔池瞬态温度场的分布以及熔池形貌的变化规律。所述加工参数为电子束功率、电子束移动速度、光斑大小、送丝速率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：主要是针对电子束同轴熔丝增材制造工艺，利用ANSYS仿真软件建立有限元模型；定量模拟分析热源形状参数对计算结果的影响，确定合适的形状参数值；多节点/多任务集成计算分析，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响。本专利技术建立宏观瞬态熔池传热模型，模拟熔池的凝固行为和直接能量沉积过程，得到零件成形过程中的温度分布，对EBF技术的高通量集成计算定量分析模拟，借助高性能超算平台对EBF加工过程进行多节点/多任务的高通量集成计算，量化加工参数对熔池温度以及形貌的影响，反映熔池温度和形貌变化规律，减少工业生产中大量的实验测量，从而有效降低生产中实验调控的研发成本，相较与其他工艺理论具有更加突出的优势。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的流程示意图；图2为本专利技术实施例中目标工件模型及网格划分示意图；图3为本专利技术加工过程中熔池温度场分布云图；图4为本专利技术模拟的熔池形貌的结构示意图；图5为本专利技术功率对熔池形貌以及熔池峰值温度的影响对比图；其中，(a)为形貌长度，(b)为温度；图6为本专利技术热源移动速度对熔池形貌及熔池峰值温度的影响对比图；其中，(a)为形貌长度，(b)为温度。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术公开了一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，主要是针对电子束同轴熔丝增材制造工艺，其步骤为：步骤一：利用ANSYS仿真软件建立有限元模型，进行加工模拟计算。借助ANSYS仿真软件建立熔池瞬态传热有限元模型，首先是目标工件的有限元模型建立以及网格划分，在本专利技术中，建立目标工件的模型如图2所示，由下部基板和上部堆积层两个部分组成。下部基板采用大小为60mm×40mm×5mm的实体长方体，上部堆积层的大小为60mm×6mm×1.5mm，以此模型进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，其特征在于，其步骤如下：/n步骤一：利用ANSYS仿真软件建立有限元模型，进行加工模拟计算；/n步骤二：利用有限元模型定量模拟分析热源的形状参数对计算结果的影响，确定合适的形状参数值；/n步骤三：利用步骤二得到的形状参数值多节点/多任务集成计算模拟，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：利用ANSYS仿真软件建立有限元模型，进行加工模拟计算；
步骤二：利用有限元模型定量模拟分析热源的形状参数对计算结果的影响，确定合适的形状参数值；
步骤三：利用步骤二得到的形状参数值多节点/多任务集成计算模拟，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响。


2.根据权利要求1所述的基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，其特征在于，所述步骤一中的有限元模型为熔池瞬态传热的目标工件的有限元模型，有限元模型的网格划分时采用大小不等的渐变式网格分布：在温度梯度变化大的加工和热影响区采用较为密集的网格，在温度梯度变化相对较小的区域采用稀疏的网格。


3.根据权利要求1或2所述的基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，其特征在于，在加工模拟计算时，热源的分布根据哈雷彗星移动时的形貌简化得来，由于加工过程中电子束沿加工方向运动，受到电子束移动速度的影响，形成的熔池形状不是简单的关于电子束中心线对称的单个半椭球体，而是电子束前、后形状不同的双半椭球体；
前后双半椭球体内的热源分布形式即热流密度分布q(x,y,t)为：



式中：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永彪，陈聪，刘新田，龙伟民，关绍康，刘建秀，白代萍，蒋军杰，何培英，樊江磊，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41