一种预测SLM金属疲劳寿命的方法技术

本公开揭示了一种预测SLM金属疲劳寿命的方法，包括：S100：对SLM金属成型过程进行质量和热流仿真，获得SLM金属成型过程的质量和热流仿真结果；S200：基于SLM金属成型过程的质量和热流仿真结果，获取SLM金属成型时的STL几何模型和成型后的温度场信息；S300：对STL几何模型修补和简化后进行四面体网格划分并赋予相应材料属性；S400：基于四面体网格划分后的STL几何模型建立力学分析模型，并以温度场信息作为预定义场条件进行热力耦合仿真分析，获得热力耦合仿真结果；S500：基于热力耦合仿真结果得到SLM金属成型过程中热应力变化和变形缺陷，根据热应力变化和变形缺陷分析SLM金属的疲劳寿命。疲劳寿命。疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种预测SLM金属疲劳寿命的方法


[0001]本公开属于数值模拟
，具体涉及一种预测SLM金属疲劳寿命的方法。

技术介绍

[0002]选区激光熔化(SLM)是增材制造中的一种代表性技术，可以制造具有稳定性能的且具有复杂几何形状的工件。首先，使用建模软件对工件进行三模建模，再将其按所需层厚逐层切片成具有扫描路径的二维截面。SLM成形机器内部有成形缸和粉缸，制造时，刮刀从粉缸刮一层具有特定层厚的金属粉末铺至成形缸的基板上，随后用激光束按特定路径进行扫描，扫描完毕后粉缸下降特定层厚，再进行第二次铺粉，逐层完成3D打印工作。SLM允许通过改变激光功率、扫描策略、或构建工件几何形状等参数来定制微观结构。如今SLM广泛应用于汽车、航空领域。
[0003]数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。本专利技术提供的一种SLM金属疲劳寿命高逼真预测的热力耦合方法，通过或CFD与FEM的结合，充分利用了多种数值模拟的优点，是数字孪生、增材智能制造中的关键技术。
[0004]数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元、差分或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。有限元法(FEM)作为一种数值热分析方法，在计算模拟的早期就被广泛应用，其采用表面模型、提及模型及其组合作为热源，并对每个热源模型进行分析假设。由于FEM计算时间较短，与实验结果吻合较好，且易于进行应力分析，其仍应用于焊接过程的模拟。同时，也采用有限差分法(FDM)和计算流体力学(CFD)进行数值热分析。FDM和CFD的优点是它们可以解释热和质量流动，包括填充金属行为、电弧压力、电磁力和测量的热源模型。在这些方法中，熔池内部的流体流动是真实的，精度更值得信赖。但是FDM和CFD需要更多的算力和时间才能获得与FEM分析相同数量的结果，且不易于做应力分析。
[0005]SLM成形过程中存在超常冶金行为及化学和热力耦合等问题，由此产生的球化效应、气孔、微观裂纹和层间开裂等内部缺陷，以及SLM成形件表面粗糙、粗大柱状晶组织、拉伸残余应力等问题为影响成形件疲劳性能的主要因素。此外，SLM成型过程中造成的几何缺陷等容易造成应力集中，应力集中能使物体产生疲劳裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。通过使用数值模拟的方式计算SLM成形时的温度场和应力场分布，从而能从多层面解决应力和变形问题，优化成形质量。在这方面，大部分模型都使用有限元法(FEM)，将离散的金属粉末等效成均匀的连续块体、建立单道、单层或多层的有限元模型，以成形工艺参数为变量，获得SLM过程中的温度梯度、冷却速度以及热循环曲线等，亦可实现热力耦合仿真，从而得到温度和热应力的分布。但用此方法研究热应力时，无法还原真实情况下的粉
末形态，熔池形貌，无法从更微观、直接的角度观察热应力变化和残余应力的分布，对疲劳性能的分析也不够精确。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种预测SLM金属疲劳寿命的方法，该方法通过结合利用CFD和FEM软件的优势，能够提高SLM金属的热力耦合仿真效果。
[0007]为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
[0008]一种预测SLM金属疲劳寿命的方法，包括如下步骤：
[0009]S100：对SLM金属成型过程进行质量和热流仿真，获得SLM金属成型过程的质量和热流仿真结果；
[0010]S200：基于SLM金属成型过程的质量和热流仿真结果，获取SLM金属成型时的STL几何模型和成型后的温度场信息；
[0011]S300：对STL几何模型进行修补和简化后进行四面体网格划分以及赋予相应材料属性；
[0012]S400：基于四面体网格划分后的STL几何模型建立力学分析模型，并以所述温度场信息作为预定义场条件进行热力耦合仿真分析，获得热力耦合仿真结果；
[0013]S500：基于热力耦合仿真结果得到SLM金属成型过程中热应力变化和变形缺陷，根据热应力变化和变形缺陷分析SLM金属的疲劳寿命。
[0014]优选的，步骤S100中，所述对SLM金属成型过程进行质量和热流仿真包括：在EDEM软件中建立粉末床以及在CFD软件中建立单层单道或多道焊接分析模型。
[0015]优选的，步骤S100中，所述对SLM金属成型过程进行质量和热流仿真还包括：通过Flow3d中的子程序qsadd设置激光追踪条件。
[0016]优选的，步骤S200中，在获取SLM金属从焊接到冷却过程的温度场信息之后，还需对温度场信息进行温度插值和时间插值。
[0017]优选的，所述以温度场信息作为预定义场条件进行热力耦合仿真分析包括：使用软件ABAQUS的静力分析模块设置加热分析步骤和冷却分析步骤，设置增量步时间和网格属性，并设置场输出为温度和应力。
[0018]优选的，所述增量步时间最大不超过温度场信息的时间间隔。
[0019]优选的，所述网格属性设置为三维应力。
[0020]本公开还提供了一种计算机存储介质，其中，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如前任一所述的方法。
[0021]本公开还提供了一种电子设备，包括：
[0022]存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，
[0023]所述处理器执行所述程序时实现如前任一所述的方法。
[0024]与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
[0025]1、本公开主要利用CFD和FEM软件的结合，实现SLM热力耦合仿真，使得两类软件的优势得以结合。既可以在CFD软件中直接模拟SLM增材制造过程中粉末颗粒在激光作用下的熔融过程、熔池内的熔体流动状态、微孔的演化行为以及气孔、飞溅等成形缺陷，又可以在FEM软件中实现在保留熔池粉末熔融形态的基础上观察SLM成形过程中热应力随温度的变
化和残余应力的分布。
[0026]2、本公开进行温度场在两类软件的传递时，充分考虑了两类软件仿真模拟时对温度信息存储方式的差异，通过FEM软件的二次开发功能，对温度进行空间插值和时间插值，使其更精准的传递温度场信息。
[0027]3、本公开在导出粉末床STL几何模型时，对STL几何模型进行了简化、修补且利用STL几何模型的特点，通过STL几何模型的表面三角形小平面体作为面网格，从而向内划分体四面体网格，在最大程度上保留了熔池形貌特征，为后续的热力耦合仿真提供了可靠模型依据。
附图说明
[0028]图1为本公开一个实施例提供的一种预测SLM金属疲劳寿命的方法的流程图；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测SLM金属疲劳寿命的方法，包括如下步骤：S100：对SLM金属成型过程进行质量和热流仿真，获得SLM金属成型过程的质量和热流仿真结果；S200：基于SLM金属成型过程的质量和热流仿真结果，获取SLM金属成型时的STL几何模型和成型后的温度场信息；S300：对STL几何模型进行修补和简化后进行四面体网格划分以及赋予相应材料属性；S400：基于四面体网格划分后的STL几何模型建立力学分析模型，并以所述温度场信息作为预定义场条件进行热力耦合仿真分析，获得热力耦合仿真结果；S500：基于热力耦合仿真结果得到SLM金属成型过程中热应力变化和变形缺陷，根据热应力变化和变形缺陷分析SLM金属的疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，步骤S100中，所述对SLM金属成型过程进行质量和热流仿真包括：在EDEM软件中建立粉末床以及在CFD软件中建立单层单道或多道焊接分析模型。3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤S100中，所述对SLM金属成型过程进行质量和...

【专利技术属性】
技术研发人员：明海洋，曾学良，罗锡柱，张林杰，宁杰，龙健，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：