CN111950173A - 一种激光3d打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，涉及激光热源加工成形金属的技术领域。该方法的步骤包括建立介观尺度下粉末床的三维随机分布颗粒堆垛模型；构建上述三维随机分布颗粒堆垛模型的控制方程；在控制方程的约束条件下通过多相流算法计算所搭建的三维随机分布颗粒堆垛模型以获得粉末的熔化以及液相流动过程。本发明考虑到了粉末颗粒实际堆垛过程中存在间隙而对激光吸收率的影响，并模拟仿真了介观尺度下激光与粉末颗粒耦合的过程，对多相耦合中的温度场进行数值模拟以实现粉末颗粒熔化过程，通过对温度场变化的观察，避免了以往将粉床视为均匀连续介质而为考虑堆垛间隙对光固耦合过程的影响。
Description
技术领域
本发明涉及激光热源加工成形金属的技术领域，尤其涉及一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法。
背景技术
激光增材制造技术是一种快速成形技术，近年来发展迅速，它可以通过金属粉末加工成形高致密度和加工精度的三维零件，并且成形后无需或仅需简单的热处理。激光增材制造技术以激光作为热源，因而成形件的最终质量与激光和粉末之间的相互作用以及耦合效应有关。以往有关熔池的模拟大多为一些关于温度场和应力场的计算模拟，主要通过调控加工参数来影响温度场和应力场的变化，从而分析预测不同加工参数对成形构件成形质量的影响。这种模拟一般都是建立宏观层面的模型，将所要加工的粉末层视为连续均匀的介质，即块体，而并未考虑粉末颗粒堆垛中所呈现的特殊结构带来的影响，但是围绕激光和粉层的作用机理和过程控制的研究并不多见。实际在堆积过程中，粉末颗粒之间存在大量的间隙，使得粉体对激光的吸收不同于普通块体，间隙对激光的吸收效应与黑体类似，激光经过透射和反射能够进入粉层的更深处，这对于进一步提高材料对激光的吸收率有很大帮助；并且，粉末颗粒的外表面多呈现如球体或者其他不规则多面体，这也大大增加了粉末颗粒的表面积，并提高了粉层表面的接收光的面积，这也是与块体材料不同之处。所以从颗粒尺度对粉层的凝固熔化、传热传质过程进行模拟很有必要。
发明内容
本发明主要针对上述背景技术的不足，提供了一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，考虑到粉末颗粒堆垛结构对激光吸收率的影响，在介观尺度下模拟粉末颗粒与激光耦合的过程，对耦合过程的温度进行数值模拟，为了记录粉末颗粒的熔凝过程，无需改变加工参数，主要观察温度场的变化，解决了现有技术存在未考虑粉末颗粒堆垛结构对光固耦合过程的影响仅仅只建立宏观层面熔池模型的技术问题。
本发明主要采用如下技术方案：
一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，步骤如下：
A、在介观尺度下建立粉床的三维随机分布颗粒堆垛模型，所述三维随机分布颗粒堆垛模型通过向介观尺度下所有计算区域包括粉床区域及上方空气区域组成的区域随机填充粉末颗粒形成；
B、构建所述三维随机分布颗粒堆垛模型的控制方程；
C、采用多相流算法在控制方程约束下解算所述三维随机分布颗粒堆垛模型以获取粉末熔化以及液相流动的过程。
所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的有限元分析方法中，步骤A采用如下方法在介观尺度下建立仅含有单一粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型：
首先，对计算区域内准备填充单一粉末颗粒的区域进行局部的网格细分，而未填充的上方空气区域材料用粗网格划分；
接着，初始化所有计算区域得到介观尺度下单一粉末粉床的三维随机分布颗粒堆垛模型。
其中，步骤B中构建的随机分布颗粒堆积模型的控制方程包括：
质量守恒方程：
能量守恒方程：
动量守恒方程：
其中，ρ、p、T分别为密度、压强、温度，u、v、w分别为x、y、z方向上的流体运动速度，k为导热率，μ为液体粘度，t为时间，
为哈密顿算子，h为能量守恒方程上的源项，Sx、Sy、Sz分别为动量守恒方程中x、y、z方向上的源项。
步骤C的具体实现方法为：首先模型边界条件和热源加载方式，并且采用求解压力耦合的质量、能量、动量守恒方程进行迭代求解，最终直至控制方程收敛。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)考虑了粉层中材料粉末颗粒的尺寸差异以及颗粒间隙中气相存在等因素，不将粉末视为连续性均匀介质，从介观尺度出发，主要采用离散元法建立三维空间颗粒随机分布的堆垛模型，而且，此随机分布堆垛模型更加接近于粉末颗粒的物理模型，为模拟激光束与粉末颗粒光固耦合提供了基础；
(2)构建粉末三维随机分布模型的控制方程并同时建立多相耦合过程的计算模型，采用求解压力耦合的质量、能量、动量传递方程，对光固耦合过程中的温度进行迭代求解；
(3)通过对光固耦合温度的数值模拟为了获得粉末颗粒熔化过程的记录，观察到不同时刻由颗粒熔化坍塌流动形成三维熔池的具体过程，并且获得了沿着某一横截面和纵截面的温度分布图、速度矢量图以及烧结颈形成图，同时能够根据模拟结果初步预测出成形件的致密度和孔隙有可能出现的位置。
附图说明
图1为一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法的步骤流程图；
图2为介观尺度的粉床模型图；
图3为纯AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程顶部熔池形貌；
图4为纯AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程纵截面温度分布云图；
图5为纯AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程沿X轴方向的温度分布曲线；
图6为纯AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程沿X轴方向的温度梯度曲线；
图7为纯AlSi10Mg粉末颗粒激光3D打印成形件表面形貌。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施方式，以下参考附图用来描述实施方式，仅用于解释本发明，不能解释为对本发明的限制。除非有另外的定义，这里所使用的所有术语(其中包括科学术语和技术术语)与本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解含义相同。同时，通用字典中定义的术语与现有技术的上下文中的意义一致，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法主要涉及以下三大步骤：首先，建立介观尺度粉末床的三维随机分布颗粒堆垛模型；接着，构建控制方程关于三维颗粒随机分布堆垛模型；然后，在控制方程约束下通过多相流算法解算所述三维随机分布颗粒堆垛模型，用来获取粉末熔化以及液相流动过程。
(1)建立介观尺度粉末床的三维随机分布颗粒堆垛模型
建立3D-CAD球体颗粒的随机分布堆垛模型，AlSi10Mg粉末颗粒的粒径为30um。建立粉末床模型如图2所示，其中尺寸为：500um*500um*30um，由纯的AlSi10Mg颗粒堆积而成。接着进行网格划分，首先对计算区域进行统一的网格划分，然后将粉末颗粒填充的位置区域进行局部网格细化，这样能够同时保证计算精确和计算时间的缩短，最后利用UDF编写颗粒随机分布代码，利用这个用户自定义的初始化函数对该区域进行初始化，得到计算空间中的随机堆垛的颗粒模型。
(2)建立上述模型的控制方程
一般在CFD模拟中设置的控制方程为质量守恒、能量守恒、动量守恒和连续性方程。本专利中采用的模型是随机分布的颗粒堆垛模型，非普通块体材料，因此控制方程只采用质量守恒、能量守恒、动量守恒，连续性方程不符合本专利模型。方程如下分别为：质量守恒方程：
能量守恒方程：
动量守恒方程：
其中，ρ、p、T分别为密度、压强、温度，u、v、w分别为x、y、z方向上的流体运动速度，k为导热率，μ为液体粘度，t为时间，
为哈密顿算子，h为能量守恒方程上的源项，Sx、Sy、Sz分别为动量守恒方程中x、y、z方向上的源项。
(3)将三维随机分布颗粒堆垛模型导入CFD软件中进行流体力学计算
本专利通过VOF多相流计算模型进行模拟计算。在计算软件中设置好模型的边界条件，选择热源加载方式为体热源，利用层流模型进行计算，通过求解上述质量、能量、动量传递方程进行迭代求解直至结果收敛。通过模拟仿真分析激光束作用下，颗粒与激光的耦合过程，得到如图3、4所示的粉床顶部熔池形貌和纵截面温度场分布，以及如图5、图6所示的纯AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程沿X轴方向的温度分布曲线和温度梯度曲线，最后通过实际实验得到图7所示的表面形貌。
通过以上描述，本增材制造领域的相关技术人员能够清楚地了解到本发明可以通过以下方式实现：软件以及必需的通用硬件平台。而且，本发明的实施方案能够通过软件产品的形式体现出其对现有技术做出贡献，获得的软件产品可以在存储介质如ROM/RAM、磁碟、光盘等中进行储存，最终通过相关指令用控制计算机设备(可以是个人计算机、服务器，或者网络设备等)执行本发明的实施例或实施例的某些部分所述的方法。
Claims (4)
1.一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、在介观尺度下建立粉末颗粒的三维随机分布堆垛模型，所述三维随机分布粉末颗粒堆垛模型通过向介观尺度下粉床部分及其上方空气区域组成的计算区域内随机填充粉末颗粒形成；
B、构建以上所述三维随机分布颗粒堆垛模型的控制方程；
C、采用多相流算法，通过控制方程约束条件解算所述三维随机分布颗粒堆垛模型以获取熔化流动过程。
2.如权利要求1所述的一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，其特征在于，所述步骤A在介观尺度下建立仅含有一种粉末的三维随机分布颗粒堆垛模型，主要采用如下方法：
对计算区域内准备填充单一粉末颗粒的区域进行局部的网格细分，而未填充的上方空气区域材料用粗网格划分；
初始化所有计算区域得到介观尺度下单一粉末粉床的三维随机分布颗粒堆垛模型。
3.如权利要求1所述的一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，其特征在于，所述步骤B中构建的三维随机分布颗粒堆垛模型有如下控制方程：
质量守恒方程：
能量守恒方程：
动量守恒方程：
其中，ρ、P、T分别为密度、压强、温度，u、v、w分别为x、y、z方向上的流体运动速度，k为导热率，μ为液体粘度，t为时间，
为哈密顿算子，h为能量守恒方程上的源项，Sx、Sy、Sz分别为动量守恒方程中x、y、z方向上的源项。
4.如权利要求1所述的一种激光3D打印随机分布粉末熔池热行为有限元分析方法，其特征在于，所述步骤C的具体实现方法为：首先确定模型边界条件以及热源加载方式，然后采用上述质量、能量、动量守恒方程求解压力耦合，进行迭代求解直至控制方程收敛。
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