基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法技术

本申请提供一种基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，所述方法包括如下步骤：S1：基于COMSOL构建三维固体传热和两相流水平集瞬态模型；S2：确定仿真过程中的参数；S3：确定待熔化的粉末的材料属性；S4：确定移动高斯热源参数；S5：构建粉床的几何模型并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定两相流水平集节点下的边界条件；S6：对粉床的几何模型进行网格划分并确定；S7：根据步骤S6的结果预测熔池分布。本方法基于COMSOL软件，利用两相流

【技术实现步骤摘要】
基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法


[0001]本专利技术涉及激光选区融化
，尤其涉及一种基于COMSOL预测选区激光熔化技术金属粉末融化/凝固熔池分布的方法。

技术介绍

[0002]选区激光熔化技术是基于材料离散
‑
逐渐累加方式制造实体零件的近净成形技术。该技术通常以金属粉末为原料,通过三维模型预分层处理设定激光扫描路径,采用高能量激光束按照设定的扫描路径逐层熔化金属粉末,使其快速凝固、堆积而形成高性能构件。在激光增材制造过程中，通常需要监测熔池的几何结构、温度、沉积高度等参数，熔池的几何结构，作为可以反映激光增材制造过程稳定性的重要特征之一，已经被广泛的应用到过程监测和过程控制之中。同时熔池的观测受到飞溅、光斑、未融化的粉末颗粒、热粒子、表面氧化物、等离子体、熔池表面扰动的影响。通过热成像仪，或者通过合适的滤波器与窄带滤波器可以直接监测熔池的几何形貌。但是上述方法无法观察和捕捉仿真加工过程中产生的冶金气孔、熔融金属飞溅和匙孔现象。
[0003]因此，亟需一种能预测熔池分布的方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
[0005]S1：基于COMSOL构建三维固体传热和水平集两相流瞬态模型；
[0006]S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括理想气体常数、金属材料融化潜热、金属材料蒸发潜热、金属材料相对分子质量、表面辐射率、玻尔兹曼常数、金属材料固相线、金属材料液相线、金属材料气相线、金属材料熔点、固液相线差值、环境压强、金属材料热膨胀系数、表面张力系数、表面张力的热依赖性系数、Boltzmann常量、回归扩散系数β
‑
r、激光移动速度、激光功率、激光半径、环境温度、扫描时长、糊状区常数和机器精度；
[0007]S3：确定待熔化的粉末的材料属性，所述材料属性包括热导系数、比热容、材料密度、热膨胀系数、固液相线，以及与气相间的表面张力大小；
[0008]S4：确定含参变量，所述含参变量包括高斯热源的热通量、高斯热源X向、高斯热源y向、高斯热源半径、达西阻力、传热辐射、表面张力系数、热浮力、反冲压力对于压力的影响、反冲压力对于体积分数的影响、蒸发热量损失、蒸发质量通量、反冲压力项、水平界面识别函数；
[0009]S5：构建粉床的几何模型，并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定两相流水平集节点下的边界条件；
[0010]S6：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、速度、压力和相成分；
[0011]S7：根据步骤S6的节点的温度、速度、压力和相成分预测选区激光熔化技术加工过程中熔池分布。
[0012]进一步，步骤S4中高斯热源的热通量采用如下方法确定：
[0013]Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(
‑
2*r_focus^2)/r_spot^2)(1)
[0014]其中，Flux表示高斯热源的热通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光热源，pi表示π，r_spot表示激光半径，r_focus表示高斯热源的焦点；
[0015]所述高斯热源X向采用如下方法确定：
[0016]x_focus＝30[um]+v_spot*t
ꢀꢀ
(2)
[0017]其中，x_focus表示x向高斯热源的焦点，v_spot表示激光速度；
[0018]所述高斯热源y向采用如下方法确定：
[0019]y_focus＝100[um]ꢀꢀ
(3)
[0020]其中，y_focus表示y向高斯热源的焦点；
[0021]所述高斯热源半径采用如下方法确定：
[0022]r_focus＝sqrt((x
‑
x_focus)^2+(y
‑
y_focus)^2)
ꢀꢀ
(4)
[0023]其中，r_focus表示高斯热源的半径，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点；
[0024]所述达西阻力采用如下方法确定：
[0025]f_damp＝
‑
A_mush*(1
‑
alpha)^2/((alpha^3+eps_s)
ꢀꢀ
(5)
[0026]其中，f_damp表示达西阻力，A_mush表示糊状区常数，alpha表示液相体积分数，eps_s表示机器精度；
[0027]所述传热辐射采用如下方法确定：
[0028]qrad＝
‑
sigma_s*epsilon*(T^4
‑
T_ref^4)
ꢀꢀ
(6)
[0029]其中，q_rad表示传热辐射，sigma_s表示Boltzman常量，epsilon表示材料表面发射率，T表示节点温度，T_ref表示环境温度；
[0030]所述表面张力系数采用如下方法确定：
[0031]sigma_m＝sigma+gamma*(T
‑
T_s)
ꢀꢀ
(7)
[0032]其中，sigma_m表示含热物理性的表面张力系数，sigma表示表面张力系数，gamma表示表面张力系数的热依赖性，T_s表示材料固相线，T表示节点温度；
[0033]所述热浮力采用如下方法确定：
[0034][0035]其中，f_b表示热浮力，表示液体密度，g_const表示重力加速度g，alpha_fb表示材料的热膨胀系数，K表示温度单位，T表示节点温度，T_l表示材料的液相线，phils表示水平集指示函数；
[0036]所述反冲压力对于压力的影响采用如下方法确定：
[0037]phi_source＝
‑
mdot*delta*(phils/tpf1.rho2+(1
‑
phils)/tpf1.rho1)
ꢀꢀ
(9)
[0038]其中，phi_source表示反冲压力对于压力的影响，mdot表示蒸发质量通量，delta表示相界面识别函数，phils表示水平集指示函数，tpf1.rho2表示相2的密度，tpf1.rho1表示相1的密度；
[0039]所述反冲压力对于体积分数的影响采用如下方法确定：
[0040]u_source＝mdot*delta*(tph1.rho2
‑
tph1.rho)/(tph1.rho)^2
ꢀꢀ
(10)
[0041]其中，u_source mdot表示反冲压力对于体积的影响，delta表示相界面识别函数，tpf1.rho2表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1：基于COMSOL构建三维固体传热和水平集两相流瞬态模型；S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括理想气体常数、金属材料融化潜热、金属材料蒸发潜热、金属材料相对分子质量、表面辐射率、玻尔兹曼常数、金属材料固相线、金属材料液相线、金属材料气相线、金属材料熔点、固液相线差值、环境压强、金属材料热膨胀系数、表面张力系数、表面张力的热依赖性系数、Boltzmann常量、回归扩散系数β_r、激光移动速度、激光功率、激光半径、环境温度、扫描时长、糊状区常数和机器精度；S3：确定待熔化的粉末的材料属性，所述材料属性包括热导系数、比热容、材料密度、热膨胀系数、固液相线，以及与气相间的表面张力大小；S4：确定含参变量，所述含参变量包括高斯热源的热通量、高斯热源X向、高斯热源y向、高斯热源半径、达西阻力、传热辐射、表面张力系数、热浮力、反冲压力对于压力的影响、反冲压力对于体积分数的影响、蒸发热量损失、蒸发质量通量、反冲压力项、水平界面识别函数；S5：构建粉床的几何模型，并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定两相流水平集节点下的边界条件；S6：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、速度、压力和相成分；S7：根据步骤S6的节点的温度、速度、压力和相成分预测选区激光熔化技术加工过程中熔池分布。2.根据权利要求1所述基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，其特征在于：步骤S4中高斯热源的热通量采用如下方法确定：Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(
‑
2*r_focus^2)/r_spot^2)(1)其中，Flux表示高斯热源的热通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光热源，pi表示π，r_spot表示激光半径，r_focus表示高斯热源的焦点；所述高斯热源X向采用如下方法确定：x_focus＝30[um]+v_spot*t (2)其中，x_focus表示x向高斯热源的焦点，v_spot表示激光速度；所述高斯热源y向采用如下方法确定：y_focus＝100[um]
ꢀꢀ
(3)其中，y_focus表示y向高斯热源的焦点；所述高斯热源半径采用如下方法确定：r_focus＝sqrt((x
‑
x_focus)^2+(y
‑
y_focus)^2)
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(4)其中，r_focus表示高斯热源的半径，x表示高斯热源移动的x方向，x_focus表示x向高斯热源的焦点，y表示高斯热源移动的y方向，y_focus表示y向高斯热源的焦点；所述达西阻力采用如下方法确定：f_damp＝
‑
A_mush*(1
‑
alpha)^2/((alpha^3+eps_s) (5)其中，f_damp表示达西阻力，A_mush表示糊状区常数，alpha表示液相体积分数，eps_s表示机器精度；
所述传热辐射采用如下方法确定：q_rad＝
‑
sigma_s*epsilon*(T^4
‑
T_ref^4)
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(6)其中，q_rad表示传热辐射，sigma_s表示Boltzman常量，epsilon表示材料表面发射率，T表示节点温度，T_ref表示环境温度；所述表面张力系数采用如下方法确定：sigma_m＝sigma+gamma*(T
‑
T_s) (7)其中，sigma_m表示含热物理性的表面张力系数，sigma表示表面张力系数，gamma表示表面张力系数的热依赖性，T_s表示材料固相线，T表示节点温度；所述热浮力采用如下方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐倩，金鹏，冯琪翔，宋军，金梦霞，赵明强，罗智超，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：