CN113282976B - 基于comsol的粉床构建方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于COMSOL的粉床构建方法，所述方法包括：S1：提取粉末坐标，所述粉末坐标包括x向空间坐标、y向空间坐标、z向空间坐标和粉末半径R；S2：根据粉末坐标，建立粉床的几何模型；S3：遍历步骤S2中建立的几何模型，确定几何模型中各个坐标点的域，所述域包括金属域、空气域和基板平面。本申请的建模方法可以完全规避几何建模形成的网格剖分问题，并且可以使用均匀的结构化网格对于模型进行剖分，以此减少数值收敛动荡，提高收敛性，提高计算精度；此外，表面张力对于SLM(请补充SLM对应的中文名称)过程中影响很显著，利用结构化网格对于表面张力的表征效果更优于非结构化自由四面体网格，对于物理现象复现效果更加具有真实性。

Description

基于COMSOL的粉床构建方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆粉床建模技术领域，尤其涉及一种基于COMSOL的粉床构建方法。

背景技术

在利用COMSOL进行选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)流体仿真建模过程中，需要对粉床进行建模，以考察粉末在激光热源作用下的流动情况，在相应的边界条件作用下，如反冲压力、马兰戈尼效应、表面张力等，对于流体流动的影响，而传统几何建模的方法，建立数百个粉末球形颗粒，如此以来，网格剖分只能使用自由四面体进行剖分，并且会产生质量较低的网格，对于后续计算时，就会产生数值动荡，对于收敛性不友好。

因此，亟需一种新的对粉床进行建模的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于COMSOL的粉床构建方法，其特征在于：包括：

S1：提取粉末坐标信息，所述粉末坐标信息包括x向空间坐标、y向空间坐标、z向空间坐标和粉末半径R；

S2：根据粉末坐标，建立粉床的几何模型；

S3：遍历步骤S2中建立的几何模型，确定几何模型中各个坐标点的域，所述域包括金属域、空气域和基板平面；

S31：将各个坐标点代入式子(1)，获得相初始化变量N的值；

所述相初始化变量N采用如下方法确定：

其中，N表示相初始化变量，i表示变量粉末颗粒编号的变量，i＝1，2，.....n；x表示x向空间坐标系，y表示y向空间坐标系，z表示z向空间坐标系，X_i表示第i颗粉末x轴坐标，Y_i表示第i颗粉末y轴坐标，Z_i表示第i颗粉末z轴坐标，R_i表示第i颗粉末的半径，M表示基板所在的平面的Y轴坐标，

S32：初始化相指针

其中，

表示相指针，N表示相初始化变量；

S33：若

表示当前坐标点在金属域上，若

表示当前坐标点在空气域上。

进一步，所述步骤S1包括：

通过离散单元法的数值模拟在送粉台上粉末在刮刀的作用下，在构建基板上铺展开来的动态过程，最终提取粉末静止后的x,y,z坐标及半径信息。

进一步，步骤S2包括：过在COMSOL组件节点下的几何节点，依次输入步骤S1中的粉末坐标值和半径值R，生成几何粉末床。

进一步，步骤S2还包括：

S21：令i＝0；

S22：构建粉球模型，将步骤S1中提取的标号为i的粉球坐标信息赋值给第i号粉球；

S3：i＝i+1，判断i是否大于等于n，其中n表示步骤S1中的粉球坐标信息的数量，若是，则完成几何模型构建，结束，若否，则进入步骤S22。

本发明的有益技术效果：本申请的建模方法可以完全规避几何建模形成的网格剖分问题，并且可以使用均匀的结构化网格对于模型进行剖分，以此减少数值收敛动荡，提高收敛性，提高计算精度；此外，表面张力对于选区激光熔化技术SLM过程中影响很显著，利用结构化网格对于表面张力的表征效果更优于非结构化自由四面体网格，对于物理现象复现效果更加具有真实性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本申请的粉末在基板上铺展开的过程示意图。

图2为本申请的粉末在基板上的模拟示意图。

图3为本申请的粉末床上粉末颗粒效果图。

图4为本申请的利用相初始化建模的密度分布图。

图5为本申请的利用相初始化建模的热导系数分布图。

图6为本申请的利用相初始化建模的比热容分布图。

图7为本申请的利用相初始化建模的动力粘度分布图。

图8为本申请的利用相初始化建模的模型生成的网格及质量。

图9为本申请的粉末坐标部分示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供一种基于COMSOL的粉床构建方法，其特征在于：包括：

S1：提取粉末坐标，所述粉末坐标包括x向空间坐标、y向空间坐标、z向空间坐标和粉末半径R；通过离散单元法的数值模拟(在软件EDEM中完成)，模拟在送粉台上粉末在刮刀的作用下，在构建基板上铺展开来的动态过程，最终提取粉末静止后的x,y,z坐标及半径信息。粉末在基板上铺展开的过程如图1所示，其模拟过程如图2所示：

S2：根据粉末坐标，建立粉床的几何模型；过在COMSOL组件节点下的几何节点，输入步骤S1中的粉末坐标值和半径值R，生成几何粉末床。几何粉末床如图3所示。

S3：遍历步骤S2中建立的几何模型，确定几何模型中各个坐标点的域，所述域包括金属域、空气域和基板平面；

S31：将各个坐标点代入式子(1)，获得相初始化变量N的值；

所述相初始化变量N采用如下方法确定：

其中，N表示相初始化变量，i表示变量粉末颗粒编号的变量，i＝1，2，.....n；x表示x向空间坐标系，y表示y向空间坐标系，z表示z向空间坐标系，X_i表示第i颗粉末x轴坐标，Y_i表示第i颗粉末y轴坐标，Z_i表示第i颗粉末z轴坐标，R_i表示第i颗粉末的半径，M表示基板所在的平面的Y轴坐标；

从式中可以看出，遍历整个几何模型，任取一点坐标，若此坐标落在任意粉末颗粒上，则判断式1成立，取值为1；在粉末颗粒上一定不会在基板平面上，故此时判断式2为0，则相指针N＝1，代表此坐标落在金属域。若落在粉末颗粒外，则判断式1、2都为0，则N＝0，代表此坐标落在空气域。若落在基板平面以下，则判断式1为0，判断式2为1，则N＝1。综上所述，如果坐标点落在粉末、基板平面以下，N＝1；若落在空气域上，则N＝0；

S32：初始化相指针

其中，

表示相指针，N表示相初始化变量；

S33：若

表示当前坐标点在金属域上，若

表示当前坐标点在空气域上。

本申请在仿真过程中，把空气域定义为相0，金属域定义为1，金属域与空气域过渡区处由0过渡到1，故相指针从0变化到1。所以可在相初始化阶段，将小球所处坐标处的空气域定义为相1。

在本实施例中，

S21：令i＝0；

S22：构建粉球模型，将步骤S1中提取的标号为i的粉球坐标信息赋值给第i号粉球；

S3：i＝i+1，判断i是否大于等于n，其中n表示步骤S1中的粉球坐标信息的数量，若是，则完成几何模型构建，结束，若否，则进入步骤S22。上述技术方案，预先定义一个变量用于计数i，初始值定义为0。而后通过四组数组记录粉床的x，y，z三个方向的坐标以及半径值r。计数变量的目的是为了避免重复定义小球的信息，及每给一个球赋予数组中的一个x，y，z，r值后计数器加1，小球ID加1。当计数变量值达到数组里存储小球信息的数量后，停止生成小球。完成粉末生成。因离散单元法生成的粉末颗粒动辄100颗，多则上千颗，手动建立几何模型，速度慢，时间成本和人力成本高，上述技术方案，利用COMSOL APP开发器，进行代码建模，即上述技术方案，可由COMSOL完成，速度快、效率高。

传统的几何建模法在软件中进行手动定义空气域、金属域，其中，所述金属域包括粉末床以及下方的基板，共三部分模型，其中，空气域长方体1，基板域长方体2和粉床球域，以此来定义不同域所拥有的不同的材料属性—密度、导热系数、比热容、动力粘度。

本申请提供的建模方法，对于相初始化建模，仅需要建立一个整体域，即一个长方体模型，而后利用相初始化法，在两相流相场-初始化1节点下定义表达式，实现相初始化划分，并且保证空气域、基板域和粉床域的材料属性—密度、导热系数、比热容、动力粘度的正确性。本申请的网格数量可以从图中看出，网格体积均匀，质量良好。如图4至图7所示，本申请的相初始化建模后的的材料属性，密度、导热系数、比热容、动力粘度均达到模型要求。

本申请构建的粉床模型全部由结构化六面体网格构成，网格数量不到120万，网格质量为1，1为最高，即质量最好。较现有几何建模法可以发现，网格数量远远降低，本申请的网格数量为120万，如图8所示，现有方法建立的粉床模型的网格数量约为700万个；且本申请构建的粉床没有低质量网格，可有效提高数值稳定性，并且能很好表征表面张力的作用效果，并减少数值收敛动荡，提高收敛性，提高计算精度。

现有本方法阐述具体实现流程：

提取粉末坐标，所述粉末坐标包括x向空间坐标、y向空间坐标、z向空间坐标和粉末半径R；在软件EDEM中进行铺粉过程建模，如图1所示，铺粉过程的复现涉及到粉床几何模型建立、刮刀模型建模、从实验得到的粒子粒径信息的输入、刮刀运动速度的定义、粉末生成器的定义、网格划分以及时间步的定义。实现从粉末生成—成型台上升一个铺粉层厚—刮刀运动实现铺粉过程—多余粉末收集到收集台内这一完成的过程。提取上述步骤计算结束后的粒子信息。此时我们需要提取在成型台上被刮刀刮动后铺在上面的粉末信息——x,y,z坐标以及半径。此时需要在EDEM软件的计算结束后的后处理步骤中进行提取。如表9所示，粉末坐标部分示意图所示。在EDEM软件中点击File-Export-Results Data，而后选择Position的x，y，z进行导出坐标值，选择Diameter导出直径值。而后生成了相对应的.csv数据。

根据粉末坐标，建立粉床的几何模型；

手动几何建模法：

点击COMSOL软件组件节点下几何节点，选择“球”进行手动建模，需要手动输入半径、x，y，z值的大小。

软件建模：

预先定义一个变量用于计数i，初始值定义为0。而后通过四组数组记录粉床的x，y，z三个方向的坐标以及半径值r。计数变量的目的是为了避免重复定义小球的信息，及每给一个球赋予数组中的一个x，y，z，r值后计数器加1，小球ID加1。当计数变量值达到数组里存储小球信息的数量后，停止生成小球。完成粉末生成。因离散单元法生成的粉末颗粒动辄100颗，多则上千颗，手动建立几何模型，速度慢，时间成本和人力成本高，上述技术方案，利用COMSOL APP开发器，进行代码建模，即上述技术方案，可由COMSOL完成，速度快、效率高。

相初始化粉床生成法

此方法需要在能够仿真激光作用下粉床熔化的物理场节点——两相流相场—初始值1—相场变量下实现，要将默认的指定相选为用户定义相，而后输入表达式

即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于COMSOL的粉床构建方法，其特征在于：包括：

S1：提取粉末坐标信息，所述粉末坐标信息包括x向空间坐标、y向空间坐标、z向空间坐标和粉末半径R；

S2：根据粉末坐标，建立粉床的几何模型；具体包括在COMSOL组件节点下的几何节点，依次输入步骤S1中的粉末坐标值和半径值R，生成几何粉末床：

S21：令i＝0；

S22：构建粉球模型，将步骤S1中提取的标号为i的粉球坐标信息赋值给第i号粉球；

S3：i＝i+1，判断i是否大于等于n，其中n表示步骤S1中的粉球坐标信息的数量，若是，则完成几何模型构建，结束，若否，则进入步骤S22；

S3：遍历步骤S2中建立的几何模型，确定几何模型中各个坐标点的域，所述域包括金属域、空气域和基板平面；

S31：将各个坐标点代入式子(1)，获得相初始化变量N的值；

所述相初始化变量N采用如下方法确定：

其中，N表示相初始化变量，i表示变量粉末颗粒编号的变量，i＝1，2，.....n；x表示x向空间坐标系，y表示y向空间坐标系，z表示z向空间坐标系，X_i表示第i颗粉末x轴坐标，Y_i表示第i颗粉末y轴坐标，Z_i表示第i颗粉末z轴坐标，R_i表示第i颗粉末的半径，M表示基板所在的平面的Y轴坐标，

S32：初始化相指针

其中，

表示相指针，N表示相初始化变量；

S33：若

表示当前坐标点在金属域上，若

表示当前坐标点在空气域上。

2.根据权利要求1所述基于COMSOL的粉床构建方法，其特征在于：所述步骤S1包括：

通过离散单元法的数值模拟在送粉台上粉末在刮刀的作用下，在构建基板上铺展开来的动态过程，最终提取粉末静止后的x,y,z坐标及半径信息。

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