【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于增材制造，尤其涉及一种大型增材制件变形快速预测方法。
技术介绍
1、大型飞机、航空发动机、火箭、飞船等飞行器发展日新月异，但随着飞行器性能的提高，飞行器内部各类系统所占比重增大，导致飞行器结构空间越来越小。而飞行器的机动性、敏捷性、安全性及寿命等要求却在不断提高，对其机体结构提出严峻挑战，出现设计“极限”。为了克服上述问题，飞行器机体结构趋向于采用激光沉积制造大型整体化金属结构，以实现减重、增加使用寿命、多功能、低成本的目的。
2、激光沉积制造技术是将“高性能金属激光熔化/快速凝固材料制备”与“大型金属构件近净成形制造”相结合，以金属粉末为原料，以粉末同步送进为特征，采用高功率工业激光使金属粉末熔化/快速凝固并逐层堆积，高效完成高性能金属构件近净成形技术。目前该技术成为大型金属构件制造的主要方式之一。然而，在激光沉积制造成形过程中伴随复杂的物理、化学和冶金现象，沉积层、基材长期经历高能激光的周期性、剧烈、非平稳、循环加热和快速冷却，导致沉积制件内部产生高水平的残余应力，过大的残余应力导致零件变形、开裂，严重时会使后续加工无法进行。构件尺寸越大，形状越复杂，成形构件的变形越严重。
3、增材制造分区打印可有效降低温度梯度，进而降低增材制件的残余应力和变形。传统分区方法由于各分区工艺参数相同，未考虑不同零部件构型之间的差异，导致构件内部热累积不同，造成成形质量一致性较差；且由于各分区形状随机性大，不同构型零部件间的工艺移植性差，工艺文件编制效率较低；分区形状的随机多样难以与增材变形快速预测方法相结
4、为了实现增材构件的高尺寸精度成形，采用实验法或有限元法获得金属构件增材成形后的变形，为激光沉积制造工艺优化和变形调控提供依据。但是采用实验法预测增材构件的变形存在成本高、周期长，且不同成形设备、不同成形工艺，增材构件变形存在明显差异的问题。采用有限元数值模拟方法可低成本预测增材构件的变形，但目前受限于计算效率，模拟增材构件的尺度相对较小且构型较为简单，难以实现500mm级及以上复杂构件变形的预测。因此，亟需一种适用于复杂构型大尺度增材构件变形快速预测方法。
技术实现思路
1、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种大型增材制件变形快速预测方法，可实现工业级大型构件变形的快速准确预测，为增材构件的高质量成形、工艺参数的优化提供科学依据。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
3、一种大型增材制件变形快速预测方法，包括如下步骤：
4、步骤1、将增材构件工艺数模分层切片、特征分区、规划打印路径，将激光功率、扫描速度、搭接率工艺参数应用到特征分区中，编制基于特征分区的激光沉积制造工艺文件；
5、步骤2、确定激光沉积制造基板和沉积区的材料、工艺参数、热源类型、热源参数，建立特征分区的有限元模型，选择各特征分区最优成形工艺参数，利用热弹塑性法确定各特征分区在激光沉积制造过程中的应力场、应变场和温度场；
6、步骤3、由步骤1和步骤2获得的特征分区的应变值，修正特征分区节点固有应变值，修正后的特征分区节点固有应变值的平均值作为沉积层的应变值；将沉积层的平均固有应变值转换为异性热膨胀系数，施加在相应的沉积层，经热弹性分析获得特征分区的变形；
7、步骤4、通过生死单元方法控制特征分区的激活与否，每激活一个特征分区进行一次热分析，获得沉积特征分区的变形，按上述方法依次分析特征分区。
8、进一步地，所述步骤1包括如下步骤：
9、步骤1.1、分层切片：去除模型中倒角、孔洞、凸台细小特征，建立增材制造工艺数模，按照设定的层厚δh等层厚分层切片处理；
10、步骤1.2、特征分区：对钛合金框梁类、壁板类、接头类增材构件构型的各切片层按照十字型、l型、一字型和t字型四类典型几何特征分区划分；
11、步骤1.3、路径规划：完成步骤1.2特征分区处理后，编制各切片层和切片层间的分区打印策略；
12、步骤1.4、工艺参数：确定激光沉积制造特征分区的成形工艺参数，包括：激光功率、扫描速度、送粉率、z轴抬升量、道间搭接率。
13、进一步地，所述步骤1.3的路径规划中，特征分区内均采用短边蛇形扫描策略。
14、进一步地，所述步骤2包括如下步骤：
15、步骤2.1、确定激光沉积制造构件和基板的材料、尺寸、热源类型、热源参数，按照步骤1中制定的工艺文件采用ansys有限元软件建立各特征分区的有限元模型；
16、步骤2.2、确定增材制造过程中各特征分区最优成形工艺参数；
17、步骤2.3、根据步骤2.1建立的有限模型和步骤2.2确定的成形工艺参数，利用ansys有限元软件热弹塑性法分析各特征分区在不同成形工艺参数下的应力场、应变场和温度场数据，提取各节点在t1时刻的塑性应变、弹性应变和总应变，以及t2时刻的弹性应变。
18、进一步地，所述步骤2.2中，成形工艺参数为：十字型特征分区的激光功率p1＝1600w、扫描速度v1＝12mm/s；t字型特征分区激光功率p2＝1800w、扫描速度v2＝10mm/s；l型特征分区激光功率激光功率p3＝1800w、扫描速度v3＝10mm/s；一字型特征分区激光功率p4＝2000w、扫描速度v4＝8mm/s。
19、进一步地，所述步骤3包括如下步骤：
20、步骤3.1、由步骤2获得各特征分区在不同工艺参数、不同时刻、不同位置的弹性应变和塑性应变分布，利用式(1)确定特征分区内各节点处的固有应变数值
21、
22、式中：t1代表中间状态，t2代表稳态，εin代表固有应变，分别代表中间状态的塑性应变、弹性应变和总应变，代表稳态时的弹性应变；
23、步骤3.2、由步骤3.1提取特征分区切片层节点的固有应变值，对各节点固有应变值进行算数平均，将该平均值作为特征分区对应切片层的固有应变值，利用式(2)计算沉积层平均固有应变；
24、
25、其中n为切片层节点数；
26、步骤3.3、根据不同构型特征分区图形中的因素，采用步骤3.2固有应变的计算方法，获得不同构型特征分区的固有应变值，形成特征分区的固有应变模块，用于任意增材零部件变形预测，所述图形中的因素包括各边长、宽、以及相邻边的夹角；
27、步骤3.4、由步骤3.3确定各特征分区的固有应变后，利用热膨胀系数α与应变之间的关系式将其转换为热膨胀系数施加在各特征分区有限元模型中，转换过程中δt取-1k，采用ansys有限元软件经一次热弹性分析获得各特征分区的变形。
28、进一步地，所述步骤4包括如下步骤：
29、步骤4.1、将增材构件有限元模型各切片层进行特征分区，将相应的材料热膨胀系数赋给各特征分区；
30、步骤4.2、通过生死单元方法依次激活沉积层各特征本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤1.3的路径规划中，特征分区内均采用短边蛇形扫描策略。
4.根据权利要求1所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤2.2中，成形工艺参数为：十字型特征分区的激光功率P1＝1600W、扫描速度V1＝12mm/s；T字型特征分区激光功率P2＝1800W、扫描速度V2＝10mm/s；L型特征分区激光功率激光功率P3＝1800W、扫描速度V3＝10mm/s；一字型特征分区激光功率P4＝2000W、扫描速度V4＝8mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：
7.根据权利要求1所述的一种大型增材制件变形快速预
...【技术特征摘要】
1.一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤1.3的路径规划中，特征分区内均采用短边蛇形扫描策略。
4.根据权利要求1所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种大型增材制件变形快速预测方法，其特征在于，所述步骤2...
【专利技术属性】
技术研发人员：李播博，王超，任宇航，杨光，钦兰云，王雨时，周思雨，安达，高恩泽，李兴思，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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