【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属激光增减材混合制造，具体涉及一种激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法。
技术介绍
1、传统激光增材制造的精度较低，表面具有显著的阶梯效应，需要后续进行减材加工以满足服役要求。并且，对于具有内腔、孔洞、弧度等结构的构件，增材制造技术难以一体成型，制备效率低下，成本高昂。
2、目前，增减材混合制造技术的问世则近乎完美的解决了复杂结构大型构件的一体化高效制备。兼具增材和减材制造的优势，增减材混合制造技术可在同一台设备上实现连续的激光沉积和铣削加工过程，这极大地减少了资源浪费，增大了制造效率。然而，传统增材制造因冷却速度快、温度梯度陡峭导致的热应力过大的问题依旧存在，后续的减材加工使残余应力的热/力耦合更加复杂和难以预测。过大的残余应力严重影响工件的使用性能，甚至造成工件的变形和开裂，造成极大的安全隐患。现有的残余应力测试方法包括小孔法(王江超,周方明.小孔法测量焊接残余应力[j].电焊机,2008,38(2):3.)、x射线法(王贺权,张艳聪,刘元元.x射线衍射法残余应力检测的误差影响因素分析[j].机械强度,2021,43(1):5.)、中子衍射法(孙光爱,陈波.中子衍射残余应力分析技术及其应用[j].核技术,2007,30(4):4.)等，这些方法对于残余应力测试的精度低且成本高，为了快捷和有效的预测残余应力，进而制备出性能优异、满足服役要求的工件，亟需一种残余应力的仿真方法对制备工程进行全流程的温度场以及应力场仿真计算。
技术实现思路
1、本
2、本专利技术金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法按照以下步骤进行：
3、(1)三维模型建立：使用三维建模软件对增减材混合制造的样品的形状以及减材加工的刀具的形状进行三维建模建立；
4、(2)模型导入：将步骤(1)中建立的三维模型导入abaqus软件中；
5、(3)参数设置：设置样品模型的材料参数、绝对零度和boltzmann常数；
6、(4)网格划分：划分样品模型和刀具模型的模型网格；
7、(5)环境设置：在abaqus有限元软件中将实际加工环境设置为样品模型和刀具模型的接触环境；
8、(6)增材分析步设置：以生死单元法设置增材制造的分析步，同时设置散热时间；
9、(7)增材仿真：采用双椭球激光热源，以三维瞬态热传导方程进行增材制造温度场与应力场仿真计算，得到温度场数据和应力场数据；
10、三维瞬态热传导控制微分方程表达式为：
11、
12、三维瞬态热传导控制微分方程中，ρ为材料密度，kg/m3；cp为材料定压比热容，j/(kg·℃)；t为温度，℃；t为进程运行时间(s)；λ为材料的导热系数(w/m/℃)；q为热源热流密度(w/m2)；
13、(8)增材数据提取：将步骤(7)中得到的增材制造后的温度场和应力场数据提取，导入abaqus有限元软件的载荷模块中作为减材加工的预定义温度场数据和应力场数据；
14、(9)减材分析步设置：在材料属性中勾选johnson-cook损伤和损伤演化，并设置减材刀具的位移分析步；同时设置的刀具的位移距离，旋转方向和转速；
15、(10)增材后的减材仿真：依托johnson-cook本构方程进行仿真计算，得到最终的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场分布数据；
16、所述johnson-cook本构方程为：
17、
18、johnson-cook本构方程中，σf为等效流动应力，n；为等效塑性应变，％；为等效塑性应变率，s-1；为参考应变率，s-1；tr为室温，℃；tm为熔点温度，℃；t为材料发生变形时的初始温度，℃；a为材料的初始屈服应力，n；b为材料的应变强化系数；c为材料的应变率强化系数；n为材料的硬化指数；m为材料的热软化指数。
19、本专利技术能够实现对金属激光增减材混合制造金属材料增材制造过程和减材制造过程的全过程温度场应力场动态模拟，增材和减材过程可无间断的连续起来；在每个过程中材料的温度和应力在整个制备过程中随时间的变化均可进行输出，为金属材料的增减材制备过程中残余应力的预测提供了强有力的手段，进而制备出性能优异、满足服役要求的工件。
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1.一种金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法按照以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(1)所述三维建模软件为ABAQUS自带三维建模软件、Unigraphics NX、Proe或3DS MAX。
3.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(1)中三维建模建立采用meter单位。
4.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(2)中导入ABAQUS的三维模型的文件格式包括IGES(*.igs)、STEP(*.stp)或SAT(*.sat)和Parasolid(*.x_t)。
5.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(3)中所述材料参数包括材料的密度、杨氏模量、泊松比、比热容、导热率和热膨胀系数。
6.根据权利要求1所述的金属激光
7.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(4)中模型网格的划分时网格种子单元形状选择为六面体，划分方式为扫掠。
8.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(5)中接触环境包括环境温度(℃)、热辐射系数(W/m2)，以及在载荷模块中创建力学边界条件将基板的底面完全固定。
9.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(6)中散热时间为实际加工工况下增材和减材的转换时间。
10.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(9)中减材刀具的位移分析步为实际减材加工的刀具的位移。
...【技术特征摘要】
1.一种金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法按照以下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(1)所述三维建模软件为abaqus自带三维建模软件、unigraphics nx、proe或3ds max。
3.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(1)中三维建模建立采用meter单位。
4.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(2)中导入abaqus的三维模型的文件格式包括iges(*.igs)、step(*.stp)或sat(*.sat)和parasolid(*.x_t)。
5.根据权利要求1所述的金属激光增减材混合制造的温度场和应力场仿真计算方法，其特征在于：步骤(3)中所述材料参数包括材料的密度、杨氏模...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄永江，刘昌煜，孙永刚，吕阳，王楠，宁志良，孙剑飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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