CN116933695B - 激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置 - Google Patents
激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116933695B CN116933695B CN202311206730.2A CN202311206730A CN116933695B CN 116933695 B CN116933695 B CN 116933695B CN 202311206730 A CN202311206730 A CN 202311206730A CN 116933695 B CN116933695 B CN 116933695B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- laser
- diamond
- diamond composite
- polyhedral
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 92
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 92
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 230000008018 melting Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000002844 melting Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 85
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000007480 spreading Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000003892 spreading Methods 0.000 claims abstract description 19
- 102100021807 ER degradation-enhancing alpha-mannosidase-like protein 1 Human genes 0.000 claims abstract description 18
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000006399 behavior Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 6
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 4
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims description 4
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 101000895701 Homo sapiens ER degradation-enhancing alpha-mannosidase-like protein 1 Proteins 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/10—Additive manufacturing, e.g. 3D printing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/26—Composites
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Algebra (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
Abstract
本发明涉及模拟仿真技术领域，并公开了一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置，方法包括：对Fluent软件进行参数设置；加载热源；通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程，获得金刚石复合材料粉末床模型；加载金刚石复合材料粉末床模型，利用Fluent软件的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，并对球形金属粉末的位置信息进行编译，生成含有多面体金刚石以及球形金属粉末的3D模型；利用Fluent软件对3D模型的几何计算域进行反复迭代计算，以实现激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的预测。本发明可为激光增材制造金刚石复合材料的工艺改进和粉体设计提供有效的理论依据和技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于模拟仿真技术领域，特别是涉及一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置。
背景技术
复合材料的激光粉床熔化成型技术使得该技术应用范围更加广泛，由于其优异的灵活性和较高的成形精度，被越来越多地用于复杂结构件的制备，在学术界以及工业生产中都得到了高度重视。
金刚石作为自然界中最硬的材料，近年来被广泛的应用于工具生产制造，采用激光粉床熔化成型技术来制作不同结构的金刚石工具成为众多高校共同的研究方向。然而激光粉床熔化成型过程复杂，涉及到传热、凝固、对流、相变、蒸发等物理过程，熔池流动状态影响着实际打印件的孔隙缺陷，并且由于金刚石颗粒的不规则几何形状，在成型过程中会加剧缺陷的产生。目前并没有对这一问题做过多的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置，以改善上述问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法，其包括：
S1，对Fluent软件进行参数设置；所述参数至少包括几何计算域；
S2，加载热源，所加载热源功率在120W-240W的范围内，扫描速度在600mm/s-1800mm/s的范围内；
S3，通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程，获得金刚石复合材料粉末床模型；
S4，加载金刚石复合材料粉末床模型，利用Fluent软件的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，并对球形金属粉末的位置信息进行编译，生成含有多面体金刚石以及球形金属粉末的3D模型；
S5，利用Fluent软件对3D模型的几何计算域进行反复迭代计算，以实现激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的预测。
优选地，步骤S1包括：
通过Workbench创建几何计算域并进行网格划分，导入Fluent软件；
采用多相流VOF模型；
将流动方式设置为层流；
开启熔化凝固模式与能量方程；
设置材料参数与边界条件。
优选地，步骤S2中，所述热源为高斯热源，流体域中各个网格（x，y，z）所受到的热量如下式所示：
式中，q表示热量，η表示材料对激光的吸收率，Pw表示激光功率，R表示激光半径，H表示激光穿透深度。
优选地，步骤S3中，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程前，对多面体金刚石以及球型金属粉末进行颗粒参数标定，将标定的参数输入3D模型中，调控金刚石与金属粉末结合剂的配比在10%-30%的范围内。
优选地，步骤S3中，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程中，将刮刀与基板的距离控制在40μm-200μm的范围内，刮刀的速度控制在80-200mm/s的范围内。
优选地，步骤S3中，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程中，选取部分粉末床，提取金刚石颗粒与金属粉末的位置信息以及几何信息，耦合Fluent软件进行熔凝行为的仿真。
优选地，在3D模型中，粉末床长度在500μm-1500μm的范围内，宽度在400μm-1200μm的范围内，厚度在40μm-200μm的范围内，金刚石颗粒的粒径范围为40μm-45μm，金属粉末的粒径范围为26-52μm。
优选地，步骤S4中，一个空间几何面方程为：
(x-0.000629968)+(y-0.000179113)+(z-2.10114e-05)≤2.96053e-05
其中，(x，y，z)为空间几何面上的点的坐标。
优选地，步骤S5中，在反复迭代计算时，时间步长不大于2e-8s，迭代数在10-20的范围内。
本发明实施例还提供了一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测装置，其包括：
参数设置单元，用于对Fluent软件进行参数设置；所述参数至少包括几何计算域；
热源加载单元，用于加载热源，所加载热源功率在120W-240W的范围内，扫描速度在600mm/s-1800mm/s的范围内；
铺粉模拟单元，用于通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程，获得金刚石复合材料粉末床模型；
模型建立单元，用于加载金刚石复合材料粉末床模型，利用Fluent软件的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，并对球形金属粉末的位置信息进行编译，生成含有多面体金刚石以及球形金属粉末的3D模型；
流动预测单元，用于利用Fluent软件对几何计算域进行反复迭代计算，以实现激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的预测。
综上所述，本实施例建立了一种基于Fluent计算流体动力学和传热学的多物理场模型，在介观尺度下研究金刚石复合材料于激光的相互作用。对激光与金刚石复合材料的相互作用过程中的流场与温度场进行数值模拟，解决了温度场变化和冷却情况以及流场的可视化问题，并可以得到关于温度场、流场以及金刚石颗粒的运动等信息，避免了大量工艺试验带来的新材料研发成本，为激光增材制造金刚石复合材料的工艺改进和粉体设计提供有效的理论依据和技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例提供的激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法的流程示意图。
图2为利用EDEM进行铺粉仿真图。
图3(a)为多面体金刚石微观图像。
图3(b)为简化后多面体金刚石颗粒。
图4为利用UDF生成的多面体金刚石复合材料粉末床的示意图。
图5为不同时刻的熔池纵向截面图。
图6(a)为功率180W，扫描速度1200mm/s的工艺参数仿真与实验对照图。
图6(b)为功率200W，扫描速度1200mm/s的工艺参数仿真与实验对照图。
图6(c)为功率200W，扫描速度1600mm/s的工艺参数仿真与实验对照图。
图6(d)为功率220W，扫描速度1600mm/s的工艺参数仿真与实验对照图。
图7为本发明第二实施例提供的激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法，其可以由激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测设备（以下简称预测设备）来实现，特别的，由所述预测设备内一个或者多个处理器来执行，以实现如下步骤：
S1，对Fluent软件进行参数设置；所述参数至少包括几何计算域。
在本实施例中，所述预测设备可以为台式电脑、笔记本电脑、平板、工作站或者服务器等具有运算处理能力的终端设备，本发明不做具体限定。
在本实施例中，对Fluent软件进行参数设置包括：
（1）通过Workbench创建几何计算域并进行网格划分，导入Fluent软件；
其中，在一种实现方式中，所述几何计算域的尺寸为700μm×400μm×250μm，网格尺寸为5μm，但并不限于该尺寸。
（2）、采用多相流VOF模型；流动方式简化为层流；开启熔化凝固模式与能量方程；进行边界条件设置。
（3）、对材料参数进行设置。
其中，作为粘合剂使用的金属粉末可为铜锡20合金，但并不限于此。
S2，加载热源，所加载热源功率在120W-240W的范围内，扫描速度在600mm/s-1800mm/s的范围内。
在本实施例中，所述热源可通过UDF（User Define Function，自定义函数）进行加载，热源可为高斯热源，其功率可选取为200W，扫描速度可选取为1600mm/s，具体可根据实际的需要进行设置，本发明不做具体限定。
在本实施例中，流体域中各个网格所受到的热量如下式所示：
式中，q表示热量，η表示材料对激光的吸收率，Pw表示激光功率，R表示激光半径，H表示激光穿透深度。
S3，通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程，获得金刚石复合材料粉末床模型。
具体地，在本实施例中，在仿真实验开始前，首先对多面体金刚石以及铜锡20球型金属粉末进行颗粒参数标定，将标定的参数输入3D模型中。
例如，可调控金刚石与金属粉末结合剂的配为15%，当然应当理解的是，所选金属粉末不限于铜锡20，其浓度也不限于15%，具体视实际需要而定，本发明在此不做赘述。
在本实施例中，如图2所示，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程中，设置刮刀与基板的距离为130μm，刮刀的速度为150mm/s的范围内，以此得到厚度不大于130μm的粉末床。当然，所设置粉末床厚度不限于130μm，刮刀速度不限于150mm/s。
在本实施例中，为了节约计算时间，可仅选取部分粉末床，提取金刚石颗粒与金属粉末的位置信息以及几何信息，耦合Fluent进行熔凝行为的仿真。
S4，加载金刚石复合材料粉末床模型，利用Fluent软件的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，并对球形金属粉末的位置信息进行编译，生成含有多面体金刚石以及球形金属粉末的3D模型。
在本实施例中，如图3(a)所示，通过UDF加载金刚石复合材料粉末床模型并进行初始化后，即可建立多面体金刚石颗粒以及金刚石复合材料粉末床的3D模型，然后通过对金刚石颗粒的微观形貌进行观测，将所有不规则多面体金刚石简化为一个形状，利用Fluent软件自带的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，如图3(b)所示。
其中，多面体金刚石颗粒的建立涉及到了对多个空间几何面方程的编译，如下式所示，下式展示一个空间几何面方程：
(x-0.000629968)+(y-0.000179113)+(z-2.10114e-05)≤2.96053e-05
其中，(x，y，z)为空间几何面上的点的坐标。
在本实施例中，最终建立的3D模型中，粉末床长度在500μm-1500μm的范围内，宽度在400μm-1200μm的范围内，厚度在40μm-200μm的范围内，金刚石颗粒的粒径范围为40μm-45μm，金属粉末的粒径范围为26-52μm。
S5，利用Fluent软件对几何计算域进行反复迭代计算，以实现激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的预测。
其中，具体地，针对几何计算域的空间几何面方程进行反复迭代计算时，时间步长不大于2e-8s，迭代数在10-20的范围内。例如，可将时间步长设置为2e-8s，迭代数设置为10，以此完成激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的数值模拟，但并不限于此。
为对本发明做更进一步的了解，下面以一实际的例子来说明本发明的应用。
在例子中，采用VOF多相流法来模拟多面体金刚石复合材料的激光粉床熔化成型微尺度熔凝过程数值模拟，通过UDF建立多面体金刚石复合材料粉末床3D模型以及加载热源，完成计算得到如图5、图6(a)-图6(d)所示结果。
其中，图5展示了流场的演变情况以及金刚石颗粒与熔化金属的结合情况，图6(a)-图6(d)展示了在不同工艺参数下多面体金刚石颗粒的受热情况以及熔池温度和形状，并通过实验进行验证。
综上所述，本实施例建立了一种基于Fluent计算流体动力学和传热学的多物理场模型，在介观尺度下研究金刚石复合材料于激光的相互作用。对激光与金刚石复合材料的相互作用过程中的流场与温度场进行数值模拟，解决了温度场变化和冷却情况以及流场的可视化问题，并可以得到关于温度场、流场以及金刚石颗粒的运动等信息，避免了大量工艺试验带来的新材料研发成本，为激光增材制造金刚石复合材料的工艺改进和粉体设计提供有效的理论依据和技术支撑。
请参阅图7，本发明第二实施例还提供了一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测装置，其包括：
参数设置单元210，用于对Fluent软件进行参数设置；所述参数至少包括几何计算域；
热源加载单元220，用于加载热源，所加载热源功率在120W-240W的范围内，扫描速度在600mm/s-1800mm/s的范围内；
铺粉模拟单元230，用于通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程，获得金刚石复合材料粉末床模型；
模型建立单元240，用于加载金刚石复合材料粉末床模型，利用Fluent软件的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，并对球形金属粉末的位置信息进行编译，生成含有多面体金刚石以及球形金属粉末的3D模型；
流动预测单元250，用于利用Fluent软件对几何计算域进行反复迭代计算，以实现激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的预测。
在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。
实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些内容以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法，其特征在于，包括：
S1，对Fluent软件进行参数设置；所述参数至少包括几何计算域；
S2，加载热源，所加载的热源功率在120W-240W的范围内，扫描速度在600mm/s-1800mm/s的范围内；所述热源为高斯热源，流体域中各个网格(x，y，z)所受到的热量如下式所示：
式中，q表示热量，η表示材料对激光的吸收率，Pw表示激光功率，R表示激光半径，H表示激光穿透深度；
S3，通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程，获得金刚石复合材料粉末床模型；其中，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程前，对多面体金刚石以及球型金属粉末进行颗粒参数标定，将标定的参数输入3D模型中，调控金刚石与金属粉末结合剂的配比在10%-30%的范围内；在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程中，选取部分粉末床，提取金刚石颗粒与金属粉末的位置信息以及几何信息，耦合Fluent软件进行熔凝行为的仿真；其中，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程中，将刮刀与基板的距离控制在40μm-200μm的范围内，刮刀的速度控制在80mm/s-200mm/s的范围内；
S4，加载金刚石复合材料粉末床模型，利用Fluent软件的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，并对球形金属粉末的位置信息进行编译，生成含有多面体金刚石以及球形金属粉末的3D模型；一个空间几何面方程为：
(x0-0.000629968)+(y0-0.000179113)+(z0-2.10114e-05)≤2.96053e-05
其中，(x0，y0，z0)为空间几何面上的点的坐标；
S5，利用Fluent软件对3D模型的几何计算域进行反复迭代计算，以实现激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的预测。
2.根据权利要求1所述的激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法，其特征在于，步骤S1包括：
通过Workbench创建几何计算域并进行网格划分，导入Fluent软件；
采用多相流VOF模型；
将流动方式设置为层流；
开启熔化凝固模式与能量方程；
设置材料参数与边界条件。
3.根据权利要求1所述的激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法，其特征在于，在3D模型中，粉末床长度在500μm-1500μm的范围内，宽度在400μm-1200μm的范围内，厚度在40μm-200μm的范围内，金刚石颗粒的粒径范围为40μm-45μm，金属粉末的粒径范围为26μm-52μm。
4.根据权利要求1所述的激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法，其特征在于，步骤S5中，在反复迭代计算时，时间步长不大于2e-8s，迭代数在10-20的范围内。
5.一种激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测装置，其特征在于，包括：
参数设置单元，用于对Fluent软件进行参数设置；所述参数至少包括几何计算域；
热源加载单元，用于加载热源，所加载的热源功率在120W-240W的范围内，扫描速度在600mm/s-1800mm/s的范围内；所述热源为高斯热源，流体域中各个网格(x，y，z)所受到的热量如下式所示：
式中，q表示热量，η表示材料对激光的吸收率，Pw表示激光功率，R表示激光半径，H表示激光穿透深度；
铺粉模拟单元，用于通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程，获得金刚石复合材料粉末床模型；其中，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程前，对多面体金刚石以及球型金属粉末进行颗粒参数标定，将标定的参数输入3D模型中，调控金刚石与金属粉末结合剂的配比在10%-30%的范围内；在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程中，选取部分粉末床，提取金刚石颗粒与金属粉末的位置信息以及几何信息，耦合Fluent软件进行熔凝行为的仿真；其中，在通过离散元软件EDEM模拟铺粉过程中，将刮刀与基板的距离控制在40μm-200μm的范围内，刮刀的速度控制在80mm/s-200mm/s的范围内；
模型建立单元，用于加载金刚石复合材料粉末床模型，利用Fluent软件的UDF初始化宏对多面体金刚石颗粒的位置信息以及空间几何形状进行编译，并对球形金属粉末的位置信息进行编译，生成含有多面体金刚石以及球形金属粉末的3D模型；一个空间几何面方程为：
(x0-0.000629968)+(y0-0.000179113)+(z0-2.10114e-05)≤2.96053e-05
其中，(x0，y0，z0)为空间几何面上的点的坐标；
流动预测单元，用于利用Fluent软件对几何计算域进行反复迭代计算，以实现激光熔化成形多面体金刚石复材微观熔凝热力学流动行为的预测。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311206730.2A CN116933695B (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311206730.2A CN116933695B (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116933695A CN116933695A (zh) | 2023-10-24 |
| CN116933695B true CN116933695B (zh) | 2024-04-16 |
Family
ID=88384673
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311206730.2A Active CN116933695B (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116933695B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9026966B1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-05-05 | Cadence Design Systems, Inc. | Co-simulation methodology to address performance and runtime challenges of gate level simulations with, SDF timing using emulators |
| CN105389435A (zh) * | 2015-11-12 | 2016-03-09 | 南京航空航天大学 | 激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法 |
| CN105868434A (zh) * | 2015-07-30 | 2016-08-17 | 南京航空航天大学 | 一种激光3d打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟方法 |
| CN109937387A (zh) * | 2012-11-08 | 2019-06-25 | Ddm系统有限责任公司 | 金属部件的增材制造及维修 |
| CN111222256A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-02 | 天津理工大学 | 一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法 |
| CN115238605A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-10-25 | 黑龙江科技大学 | 一种预测slm单熔道表面质量的数值模拟方法 |
-
2023
- 2023-09-19 CN CN202311206730.2A patent/CN116933695B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109937387A (zh) * | 2012-11-08 | 2019-06-25 | Ddm系统有限责任公司 | 金属部件的增材制造及维修 |
| US9026966B1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-05-05 | Cadence Design Systems, Inc. | Co-simulation methodology to address performance and runtime challenges of gate level simulations with, SDF timing using emulators |
| CN105868434A (zh) * | 2015-07-30 | 2016-08-17 | 南京航空航天大学 | 一种激光3d打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟方法 |
| CN105389435A (zh) * | 2015-11-12 | 2016-03-09 | 南京航空航天大学 | 激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法 |
| CN111222256A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-02 | 天津理工大学 | 一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法 |
| CN115238605A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-10-25 | 黑龙江科技大学 | 一种预测slm单熔道表面质量的数值模拟方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 刘顺洪 等.《激光制造技术》.华中科技大学出版社,2011,第93-95页. * |
| 戴冬华 ; 顾冬冬 ; 李雅莉 ; 张国全 ; 贾清波 ; 沈以赴 ; .选区激光熔化W-Cu复合体系熔池熔体运动行为的数值模拟.《中国激光》.2013,(第11期),第1103001-1~1103001-9页. * |
| 选区激光熔化W-Cu复合体系熔池熔体运动行为的数值模拟;戴冬华;顾冬冬;李雅莉;张国全;贾清波;沈以赴;;《中国激光》(第11期);第1103001-1~1103001-9页 * |
| 颗粒金属材料冲击压缩细观力学仿真模型生成方法;乔良 等;《南京理工大学学报》;第37卷(第2期);第219-225页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116933695A (zh) | 2023-10-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Moges et al. | A review of model inaccuracy and parameter uncertainty in laser powder bed fusion models and simulations | |
| Michaleris | Modeling metal deposition in heat transfer analyses of additive manufacturing processes | |
| Ladani et al. | Effective liquid conductivity for improved simulation of thermal transport in laser beam melting powder bed technology | |
| Teng et al. | Simulating melt pool shape and lack of fusion porosity for selective laser melting of cobalt chromium components | |
| US9939394B2 (en) | Process mapping of cooling rates and thermal gradients | |
| JP2017215957A (ja) | 付加製造のスケーラブル有限要素シミュレーション | |
| Feng et al. | Experimental and numerical investigation of the origin of surface roughness in laser powder bed fused overhang regions | |
| US6813533B1 (en) | Method for simulation of laser material deposition | |
| Moges et al. | Hybrid modeling approach for melt-pool prediction in laser powder bed fusion additive manufacturing | |
| Bouabbou et al. | Understanding laser-metal interaction in selective laser melting additive manufacturing through numerical modelling and simulation: a review | |
| Rolchigo et al. | Sparse thermal data for cellular automata modeling of grain structure in additive manufacturing | |
| Dialami et al. | Numerical simulation and visualization of material flow in friction stir welding via particle tracing | |
| Rahman et al. | A comparison of the thermo-fluid properties of Ti-6Al-4V melt pools formed by laser and electron-beam powder-bed fusion processes | |
| Stavropoulos et al. | Warping in SLM additive manufacturing processes: estimation through thermo-mechanical analysis | |
| Nikam et al. | A simplified thermal approximation method to include the effects of Marangoni convection in the melt pools of processes that involve moving point heat sources | |
| US10328532B2 (en) | Process mapping of average temperatures and process sensitivity | |
| Le et al. | Multi-scale modeling of selective electron beam melting of Ti6Al4V titanium alloy | |
| CN115238605A (zh) | 一种预测slm单熔道表面质量的数值模拟方法 | |
| Moreira et al. | A multi-criteria h-adaptive finite-element framework for industrial part-scale thermal analysis in additive manufacturing processes | |
| Chang et al. | Establishment of the model widely valid for the melting and vaporization zones in selective laser melting printings via experimental verifications | |
| CN116933695B (zh) | 激光熔化成形多面体金刚石复材熔凝流动预测方法及装置 | |
| Afrasiabi et al. | Smoothed particle hydrodynamics modeling of the multi-layer laser powder bed fusion process | |
| WO2014144677A1 (en) | Process mapping of average temperatures and process sensitivity | |
| Gobal et al. | An adaptive discrete element method for physical modeling of the selective laser sintering process | |
| Bian et al. | Investigation on the effect of the thermal dynamic, evaporation, and alternative material properties in a laser melt pool with a developed 2D model based on the VOSET method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |