一种线弧增材制造热历史的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种线弧增材制造热历史的预测方法，首先，读取打印结构的信息并建立Road库，获取初始时刻的打印参数；其次，建立单元库、单元接触关系和单元热影响区；进而，求解不同计算时间的温度场；最后，输出打印结构的热历史曲线。该方法可预测不同材料、不同打印机及不同打印结构的热历史，解决了已有线弧增材制造热历史预测方法中存在计算效率低、模型复杂等问题，具有计算效率高、算法简单容易实施等优点。施等优点。施等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种线弧增材制造热历史的预测方法


[0001]本专利技术涉及一种线弧增材制造热历史的预测方法，其属于线弧增材制造


技术介绍

[0002]线弧增材制造技术以电弧为热源熔化丝材，采用自下而上的策略逐层堆积零件，是金属快速制造的重要手段。热历史是决定线弧增材制造力学性能的关键因素，也是线弧增材制造工艺的核心。准确预测热历史，对于线弧增材制造工艺分析、冶金分析、应力变形分析、过程控制等都具有十分重要的意义。
[0003]目前，面向线弧增材制造热历史的预测研究主要基于三维传热模型以及有限单元法(Finite Element Method)展开(刘东帅,吕彦明,周文军,等.基于ANSYS的TIG电弧增材制造温度场数值模拟分析[J].激光与光电子学进展,2019,56:241405；陈克选,王向余,李宜炤,等.水冷条件下WAAM温度场的数值模拟研究[J].2021,35:04165
‑
04169)。此类方法的时间复杂度为O(N3)，计算效率较低，难以应用于工程实际。另外，有限单元法的算法较为复杂，不易于编程实施。上述难点制约了热历史预测在线弧增材制造中的应用，因此迫切需要发展一种简单而高效的热历史计算方法。

技术实现思路

[0004]为解决已有线弧增材制造热历史预测方法中存在的计算效率低、模型复杂等问题，本专利技术提出了一种简单且高效的线弧增材制造热历史的预测方法。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：一种线弧增材制造热历史的预测方法，包括如下步骤：
[0006]S1、读取打印结构的信息并建立Road库，获取初始时刻的打印参数；
[0007]S2、根据Road库及初始时刻打印参数建立单元库，对所有单元进行编号，并计算各打印类型Road的参数；
[0008]S3、建立单元接触关系，遍历所有单元，计算各单元在不同方向的接触关系；
[0009]S4、建立单元热影响区，遍历所有单元，获取各单元的热影响区单元；
[0010]S5、更新计算时间，根据单元接触关系和单元热影响区，计算所有单元下一时刻的温度；
[0011]S6、在一个打印周期内，重复执行步骤S5，得到所有单元不同时刻的温度，生成打印热历史曲线。
[0012]较佳的，S1中，建立Road库的具体过程如下：
[0013]首先，读取Gcode，包括提取层宽、层高、G1指令；其次，对所有G1指令即Road进行编号；然后，对所有Road进行分类，分类包括但不限于打印类型、空行类型、换层类型、挤出类型；最后，计算所有Road的长度、开始时间和结束时间。
[0014]较佳的，S2中，各打印类型Road的参数包括单元数量、单元长度、最小单元长度、时间步长。
[0015]较佳的，S3中，所述接触关系包括前接触、后接触、左/右接触、上/下接触、单元自由表面积、单元与底板接触面积。
[0016]较佳的，S3中，所述接触关系的计算方法如下：
[0017]选取任一单元(I,J,K)，其中，I为第I层，J为第J个Road，K为第K个单元；
[0018]计算单元的前接触：
[0019]如果K＝1并且Road(I,J
‑
1)为打印类型，则前接触为Road(I,J
‑
1)的最后一个单元；否则前接触为单元(I,J,K
‑
1)；
[0020]计算单元的后接触：
[0021]如果K为Road(I,J)的最后一个单元，并且Road(I,J+1)为打印类型，则后接触为单元(I,J+1,0)；否则后接触为单元(I,J,K+1)；
[0022]计算单元的左/右接触：
[0023]遍历所有单元；如果单元在I层，并且与单元(I,J,K)接触，则其为当前Road的左/右接触；
[0024]计算单元的上/下接触：
[0025]遍历所有单元；如果单元在I+1/I
‑
1层，并且与单元(I,J,K)接触，则其为当前Road的上/下接触；
[0026]计算单元自由表面积A
free
：
[0027]遍历单元所有表面，单元自由表面积A
free
为无接触表面的面积之和；
[0028]计算单元与底板接触面积A
plat
：
[0029]如果单元在第1层，单元与底板接触面积A
plat
为层宽W*单元长度Δx；否则单元与底板接触面积A
plat
为零。
[0030]较佳的，S4中，热影响区单元的判断依据如下：
[0031]预先设定一个阈值，在遍历所有单元的过程中，若任一单元与所选单元的距离小于等于预先设定的阈值，则该单元为所选单元的热影响区。
[0032]较佳的，S5中，计算所有单元下一时刻的温度，其步骤如下：
[0033]将计算时间由当前时刻即t
n
时刻更新至下一时刻即t
n+1
时刻，n为从0开始到打印结束的任意一个时刻；
[0034]遍历所有单元，按如下方法计算所有单元t
n+1
时刻的温度：
[0035]若单元在[t
n
,t
n+1
]时间内挤出，则为挤出单元，按照如下公式计算当前单元t
n+1
时刻的温度为：
[0036]T
in+1
＝kT
melt
；
[0037]其中，T
in+1
为当前单元t
n+1
时刻的温度，T
melt
为材料熔点，k为挤出温度修正系数；
[0038]若单元在[0,t
n
]时间内挤出，且在挤出单元的热影响区内，按照如下公式计算当前单元t
n+1
时刻的温度：
[0039][0040]若单元在[0,t
n
]时间内挤出，但未在挤出单元的热影响区内，按照如下公式计算当前单元t
n+1
时刻的温度：
[0041]T
in+1
＝T
in
‑
ΔtK(T
in
‑
T
amb
)；
[0042]若单元在[t
n+1
,∞]时间内挤出，则不更新当前单元t
n+1
时刻的温度，即当前单元t
n+1
时刻的温度为：
[0043]T
in+1
＝T
in
；
[0044]其中，i为当前单元，T
in+1
为当前单元t
n+1
时刻的温度，T
in
为当前单元当前时刻的温度，Δt为时间步长，Δx为单元长度，W、H分别为层宽和层高，ρ、C、λ、h
conv
、ε、h
plat
、h<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种线弧增材制造热历史的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、读取打印结构的信息并建立Road库，获取初始时刻的打印参数；S2、根据Road库及初始时刻打印参数建立单元库，对所有单元进行编号，并计算各打印类型Road的参数；S3、建立单元接触关系，遍历所有单元，计算各单元在不同方向的接触关系；S4、建立单元热影响区，遍历所有单元，获取各单元的热影响区单元；S5、更新计算时间，根据单元接触关系和单元热影响区，计算所有单元下一时刻的温度；S6、在一个打印周期内，重复执行步骤S5，得到所有单元不同时刻的温度，生成打印热历史曲线。2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，S1中，建立Road库的具体过程如下：首先，读取Gcode，包括提取层宽、层高、G1指令；其次，对所有G1指令即Road进行编号；然后，对所有Road进行分类，分类包括但不限于打印类型、空行类型、换层类型、挤出类型；最后，计算所有Road的长度、开始时间和结束时间。3.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，S2中，各打印类型Road的参数包括单元数量、单元长度、最小单元长度、时间步长。4.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，S3中，所述接触关系包括前接触、后接触、左/右接触、上/下接触、单元自由表面积以及单元与底板接触面积。5.如权利要求4所述的预测方法，其特征在于，S3中，所述接触关系的计算方法如下：选取任一单元(I,J,K)，其中，I为第I层，J为第J个Road，K为第K个单元；计算单元的前接触：如果K＝1并且Road(I,J
‑
1)为打印类型，则前接触为Road(I,J
‑
1)的最后一个单元；否则前接触为单元(I,J,K
‑
1)；计算单元的后接触：如果K为Road(I,J)的最后一个单元，并且Road(I,J+1)为打印类型，则后接触为单元(I,J+1,0)；否则后接触为单元(I,J,K+1)；计算单元的左/右接触：遍历所有单元；如果单元在I层，并且与单元(I,J,K)接触，则其为当前Road的左/右接触；计算单元的上/下接触：遍历所有单元；如果单元在I+1/I
‑
1层，并且与单元(I,J,K)接触，则其为当前Road的上/下接触；计算单元自由表面积A
free
：遍历单元所有表面，单元自由表面积A
free
为无接触表面的面积之和；计算单元与底板接触面积A
plat
：如果单元在第1层，单元与底板接触面积A
plat
为W*Δx，W为层宽，Δx为单元长度；否则单元与底板接触面积A
plat
为零。6.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，S4中，热影响区单元的判断依据如下：预先设定一个阈值，在遍历所有单元的过程中，若任一单元与所选单元的距离小于等
于预先设定的阈值，则该单元为所选单元的热影响区。7.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，S5中，计算所有单元下一时刻的温度，其步骤如下：将计算时间由当前时刻即...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳自鹏，钱龙根，殷伟，王良，王桃章，梅在林，王稳，
申请(专利权)人：上海杭和智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：