选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法技术

本发明专利技术涉及金属增材制造技术领域，尤其是涉及选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，用于解决现有技术中无法同时预测选区激光熔化工艺下成形件表面质量与残余应力的问题，所述方法包括如下步骤：获取选区激光熔化工艺中初始的粉末颗粒的分布模型；划分计算网格，将整个材料域离散为物质点并初始化计算网格；在初始化后的计算网格中搜寻背景网格；制定分类标记策略，结合分布模型对背景网格单元和物质点进行分类标记；基于分类标记的结果，计算并更新物质点的质点温度，确定流体区域中流体在热驱动下的流动行为，并求解固体区域的残余应力和固体变形；根据质点温度、流动行为和固体变形来预测选区激光熔化技术下成形件的表面质量。术下成形件的表面质量。术下成形件的表面质量。

【技术实现步骤摘要】
选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法


[0001]本专利技术涉及金属增材制造领域，尤其是选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法。

技术介绍

[0002]近年来，增材制造技术引发了国内外工业界的广泛关注。增材制造技术是一种采用高能热束对材料逐道熔化、逐层堆积，可实现任意复杂形状“近净”成型的变革性制造技术。与传统的车削加工等减材和等材制造技术不同，增材制造通过逐层熔化堆积的方式得到复杂的零件构型，具有短周期、低成本、省材料等独特优势。其中，选区激光熔化技术是常见的金属增材制造技术之一。然而，目前采用选区激光熔化技术（SLM）制备的零件具有热应力与尺寸偏差控制困难的问题，具体表现为零件表面粗糙不平整和热应力引起的翘曲变形问题。现有的选区激光熔化技术工艺成型件表面质量与残余应力预测方法通常只能够单一地预测表面质量或残余应力，无法同时对二者进行预测，缺乏考虑两者之间的相互影响。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提供的选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，所述该方法包括如下步骤：使用离散元法对粉末床铺设过程进行建模以获取选区激光熔化工艺中初始的粉末颗粒的分布模型；使用预设的计算参数对计算域进行计算网格的划分，同时将整个材料域离散为物质点，并利用所述物质点初始化计算网格；依据物质点法中背景网格结点的质量场在初始化后的所述计算网格中搜寻背景网格；制定分类标记策略，并结合所述分布模型对所述背景网格中的背景网格单元以及所述物质点进行分类标记；基于分类标记的结果，计算并更新所述物质点的质点温度，确定流体区域中流体在热驱动下的流动行为，并求解固体区域的残余应力和固体变形；根据所述质点温度、所述流动行为和所述固体变形来预测选区激光熔化技术下成形件的表面质量。本专利技术能够同时对选区激光熔化技术下成形件的表面质量和残余应力进行预测。
[0005]可选地，所述分类标记策略包括如下步骤：利用所述背景网格单元以及所述背景网格单元的邻居网格单元携带的物理信息对所述背景网格单元进行分类标记；根据所述物质点携带的物理信息和所述分布模型对所述物质点进行分类标记。
[0006]进一步的，对背景网格单元和物质点进行分类标记便于分别获取金属材料的温度变化、流体区域的流动行为、固体区域的固体变形和残余应力，进而实现对成形件表面质量和残余应力的预测。
[0007]可选地，所述利用所述背景网格单元以及所述背景网格单元的邻居网格单元携带的物理信息对所述背景网格单元进行分类标记包括如下步骤：
将不包含物质点的背景网格单元标记为空单元，否则标记为金属材料单元；把所述邻居网格单元为所述空单元的金属材料单元标记为表面网格单元；将温度小于固相线温度的金属材料单元标记为固体单元；把温度在固相线温度与液相线温度之间的金属材料单元标记为糊状区单元。
[0008]进一步的，金属材料单元参与质点温度的计算以获取金属材料的温度变化；表面网格单元和糊状区单元参与质点速度和质点位置的计算进而得到流体在热驱动下的流动行为；固体单元参与残余应力和固体形变的计算。
[0009]可选地，所述根据所述物质点携带的物理信息和所述分布模型对所述物质点进行分类标记包括如下步骤：根据所述分布模型，将所述粉末颗粒中的物质点标记为未熔化物质点，其余物质点均标记为固体质点；将温度大于液相线温度的所述未熔化物质点标记为流体质点，将温度处于固相线温度与液相线温度之间的所述未熔化物质点标记为糊状区质点；将温度曾经超过固相线温度的物质点命名为中间物质点，将温度不小于液相线温度的中间物质点携带的固体应力置零并标记为流体质点，将温度处于固相线温度与液相线温度之间的中间物质点携带的固体应力置零并标记为糊状区质点，将温度小于固相线温度的中间物质点标记为固体质点。
[0010]可选地，除所述固体单元之外的其他所述金属材料单元为非固体单元，所述非固体单元包括所述糊状区单元，所述非固体单元形成的区域为所述流体区域，所述固体单元形成的区域为所述固体区域；所述基于分类标记的结果，计算并更新所述物质点的质点温度，确定流体区域中流体在热驱动下的流动行为，并求解固体区域的残余应力和固体变形包括如下步骤：在所述背景网格内基于所述物质点的位置确定传热求解域，并在所述传热求解域内计算和更新所述背景网格单元中每一个物质点的质点温度；求解所述流体质点和所述糊状区质点的质点速度和质点位置，并根据所述质点速度和所述质点位置确定所述流体区域中流体在热驱动下的流动行为；采用标准物质点法求解所述固体质点处的残余应力和所述固体区域中背景网格节点的总结点力，进而求解所述固体区域的固体变形。
[0011]可选地，所述在所述背景网格内基于所述物质点的位置确定传热求解域，并在所述传热求解域内计算和更新所述背景网格单元中每一个物质点的质点温度包括如下步骤：确定计算域内是否出现新的所述金属材料单元，并对新的所述金属材料单元进行温度初始化；使用所有所述金属材料单元中物质点的位置确定所述传热求解域，循环所述传热求解域内所有所述金属材料单元，采用有限差分法求解所述金属材料单元的瞬态热传导方程，得到瞬态热传导方程的离散格式方程，并利用所述离散格式方程得到所述金属材料单元的预测温度增量，所述瞬态热传导方程和所述离散格式方程分别满足如下关系：，，
[0012]其中，为材料密度，为材料比热容，D表示进行微分，T为温度，t为时间变量，为金属材料体积分数，为金属材料密度，为相变潜热，为流体体积分数，为梯度算子，为热传导系数，为金属材料汽化引起的蒸发热损失，为对流换热引起的热损失，为辐射热损失，为体积热源，为所述金属材料单元下一刻温度的温度试探解，为所述金属材料单元下一刻温度的预测值，为所述金属材料单元的当前温度，为所述预测温度增量，为所述金属材料单元下一刻的预测流体体积分数，为所述金属材料单元的当前流体体积分数；将所述预测温度增量和所述金属材料单元的当前温度相加得到所述预测值；若所述预测值未跨越固相线温度和液相线温度之间的温度区间，则直接利用所述预测值更新所述金属材料单元的格心温度；若所述预测值跨越了所述温度区间，则利用半隐式迭代法迭代更新所述格心温度；将所述单元格心温度直接赋予所述金属材料单元中的物质点，进而更新所述背景网格单元中每一个物质点的质点温度。
[0013]进一步的，质点温度能够实时反映加工区域内金属材料的温度，因而实时计算质点温度就能够实时获取加工区域内金属材料的温度变化工程，有利于预测成形件的表面质量。
[0014]可选地，所述求解所述流体质点和所述糊状区质点的质点速度和质点位置，并根据所述质点速度和所述质点位置确定所述流体区域中流体在热驱动下的流动行为包括如下步骤：将每个所述表面网格单元分成若干个子单元，并创建所述表面网格单元中物质点的虚拟影响域，通过所述虚拟影响域确定所述表面网格单元中物质点对所述子单元的占据率，并将所述占据率作为所述表面网格单元的格心体积分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，其特征在于，包括如下步骤：使用离散元法对粉末床铺设过程进行建模以获取选区激光熔化工艺中初始的粉末颗粒的分布模型；使用预设的计算参数对计算域进行计算网格的划分，同时将整个材料域离散为物质点，并利用所述物质点初始化计算网格；依据物质点法中背景网格结点的质量场在初始化后的所述计算网格中搜寻背景网格；制定分类标记策略，并结合所述分布模型对所述背景网格中的背景网格单元以及所述物质点进行分类标记；基于分类标记的结果，计算并更新所述物质点的质点温度，确定流体区域中流体在热驱动下的流动行为，并求解固体区域的残余应力和固体变形；根据所述质点温度、所述流动行为和所述固体变形来预测选区激光熔化技术下成形件的表面质量。2.根据权利要求1所述的选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，其特征在于，所述分类标记策略包括如下步骤：利用所述背景网格单元以及所述背景网格单元的邻居网格单元携带的物理信息对所述背景网格单元进行分类标记；根据所述物质点携带的物理信息和所述分布模型对所述物质点进行分类标记。3.根据权利要求2所述的选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，其特征在于，所述利用所述背景网格单元以及所述背景网格单元的邻居网格单元携带的物理信息对所述背景网格单元进行分类标记包括如下步骤：将不包含物质点的背景网格单元标记为空单元，否则标记为金属材料单元；把所述邻居网格单元为所述空单元的金属材料单元标记为表面网格单元；将温度小于固相线温度的金属材料单元标记为固体单元；把温度在固相线温度与液相线温度之间的金属材料单元标记为糊状区单元。4.根据权利要求3所述的选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，其特征在于，所述根据所述物质点携带的物理信息和所述分布模型对所述物质点进行分类标记包括如下步骤：根据所述分布模型，将所述粉末颗粒中的物质点标记为未熔化物质点，其余物质点均标记为固体质点；将温度大于液相线温度的所述未熔化物质点标记为流体质点，将温度处于固相线温度与液相线温度之间的所述未熔化物质点标记为糊状区质点；将温度曾经超过固相线温度的物质点命名为中间物质点，将温度不小于液相线温度的中间物质点携带的固体应力置零并标记为流体质点，将温度处于固相线温度与液相线温度之间的中间物质点携带的固体应力置零并标记为糊状区质点，将温度小于固相线温度的中间物质点标记为固体质点。5.根据权利要求4所述的选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，其特征在于：除所述固体单元之外的其他所述金属材料单元为非固体单元，所述非固体单元包括所
述糊状区单元，所述非固体单元形成的区域为所述流体区域，所述固体单元形成的区域为所述固体区域；所述基于分类标记的结果，计算并更新所述物质点的质点温度，确定流体区域中流体在热驱动下的流动行为，并求解固体区域的残余应力和固体变形包括如下步骤：在所述背景网格内基于所述物质点的位置确定传热求解域，并在所述传热求解域内计算和更新所述背景网格单元中每一个物质点的质点温度；求解所述流体质点和所述糊状区质点的质点速度和质点位置，并根据所述质点速度和所述质点位置确定所述流体区域中流体在热驱动下的流动行为；采用标准物质点法求解所述固体质点处的残余应力和所述固体区域中背景网格节点的总结点力，进而求解所述固体区域的固体变形。6.根据权利要求5所述的选区激光熔化技术下成形件表面质量及残余应力预测方法，其特征在于，所述在所述背景网格内基于所述物质点的位置确定传热求解域，并在所述传热求解域内计算和更新所述背景网格单元中每一个物质点的质点温度包括如下步骤：确定计算域内是否出现新的所述金属材料单元，并对新的所述金属材料单元进行温度初始化；使用所有所述金属材料单元中物质点的位置确定所述传热求解域，循环所述传热求解域内所有所述金属材料单元，采用有限差分法求解所述金属材料单元的瞬态热传导方程，得到瞬态热传导方程的离散格式方程，并利用所述离散格式方程得到所述金属材料单元的预测温度增量，所述瞬态热传导方程和所述离散格式方程分别满足如下关系：，，其中，为材料密度，为材料比热容，D表示进行微分，T为温度，t为时间变量，为金属材料体积分数，为金属材料密度，为相变潜热，为流体体积分数，为梯度算子，为热传导系数，为金属材料汽化引起的蒸发热损失，为对流换热引起的热损失，为辐射热损失，为...

【专利技术属性】
技术研发人员：廉艳平，李明健，陈嘉伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：