激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開(kāi)了激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法，屬于激光金屬成 形工藝的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光增材制造是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種快速成形方法，它可以直接用金屬粉末來(lái) 成形高致密度的三維零件，并且很少需要后續(xù)熱處理強(qiáng)化或者金屬二次熔浸等輔助工藝手 段。然而，由于激光增材制造技術(shù)采用的熱源是激光，成形件的最終質(zhì)量與激光和粉末的耦 合效應(yīng)密切相關(guān)。一直以來(lái)，圍繞激光和粉層的作用機(jī)理和過(guò)程控制的研究并不多見(jiàn)，雖然 許多關(guān)于熔池的模擬也取得了一定的研究成果，但以往的研究大多集中在溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng) 的模擬，是通過(guò)改變加工參數(shù)來(lái)觀察溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化，從而分析預(yù)測(cè)不同加工參數(shù) 對(duì)成形件最終質(zhì)量的影響，并且建立的模型都是宏觀層面的，將粉層視為連續(xù)均勻的介質(zhì)， 即相當(dāng)于把粉末層視為塊體，并未考慮粉末顆粒堆垛的特殊結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的影響。而現(xiàn)實(shí)中， 由于粉末顆粒之間存在大量的孔隙，因而粉體對(duì)激光的吸收不同于塊體，空隙對(duì)激光的吸 收類(lèi)似于黑體，激光經(jīng)過(guò)穿透和反射可以進(jìn)入粉層更深處，這就大大提高了材料對(duì)激光的 吸收率，并且，粉末顆粒的外表面多為球體或者其他不規(guī)則多面體，大大增加了表面積，也 提高了粉層表面的受光面積，這也與塊體材料所不同。所以從顆粒尺度模擬粉層的凝固熔 化、傳熱傳質(zhì)過(guò)程是有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了激光束與粉末顆 粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法，考慮到粉末顆粒堆垛結(jié)構(gòu)對(duì)激光吸收率的影響，在介觀 尺度下模擬粉末顆粒與激光耦合的過(guò)程，對(duì)耦合過(guò)程的溫度進(jìn)行數(shù)值模擬以記錄粉末顆粒 熔化過(guò)程，無(wú)需改變加工參數(shù)后觀察溫度場(chǎng)和的變化，解決了現(xiàn)有技術(shù)在宏觀層面建立熔 池模型且未考慮粉末顆粒堆垛結(jié)構(gòu)對(duì)光固耦合過(guò)程的影響的技術(shù)問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0005] 激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法，包括如下步驟：
[0006] A、在介觀尺度下建立粉床的三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型，所述三維隨機(jī)分布顆粒 堆積模型通過(guò)向介觀尺度下粉床部分及其上方空氣區(qū)域組成的計(jì)算區(qū)域內(nèi)隨機(jī)填充粉末 顆粒形成；
[0007] B、構(gòu)建所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型的控制方程；
[0008] C、采用多相流算法在控制方程約束下解算所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型以獲 取熔化流動(dòng)過(guò)程。
[0009] 進(jìn)一步的，所述激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法中，步驟A采用 如下方法在介觀尺度下建立僅含有單一粉末粉床的隨機(jī)分布顆粒堆積模型：
[0010] 首先，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)單一粉末顆粒即將填充的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)分，上方空氣 區(qū)域保持粗網(wǎng)格狀態(tài)；
[0011] 接著，初始化計(jì)算區(qū)域得到介觀尺度下單一粉末粉床的隨機(jī)分布顆粒堆積模型。
[0012] 進(jìn)一步的，所述激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法中，步驟A采用 如下方法在介觀尺度下建立復(fù)合粉末粉床的隨機(jī)分布顆粒堆積模型：
[0013] 首先，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)粉末即將填充的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)分，上方空氣區(qū)域保持 粗網(wǎng)格狀態(tài)；
[0014] 接著，初始化計(jì)算區(qū)域得到介觀尺度下單一合金材料粉末顆粒的隨機(jī)分布模型；
[0015] 然后，在單一合金材料粉末顆粒的間隙中隨機(jī)填充增強(qiáng)相粉末顆粒得到復(fù)合粉末 粉床的隨機(jī)分布顆粒堆積模型。
[0016] 再進(jìn)一步的。所述激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法，步驟B中構(gòu) 建的隨機(jī)分布顆粒堆積模型的控制方程包括：
[0017] 質(zhì)量守恒方程：
[0026] 其中，P、p、T分別為密度、壓強(qiáng)、溫度，u、v、w分別為x、y、z方向上的流體運(yùn)動(dòng)速 度，k為導(dǎo)熱率，μ為液體粘度，t為時(shí)間，▽為哈密頓算子，Sh為能量守恒方程上的源項(xiàng)，Sx、 Sy、Sz*別為動(dòng)量守恒方程中X、y、z方向上的源項(xiàng)。
[0027]更進(jìn)一步的，所述激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法中，步驟C的 具體方法為：確定模型邊界條件以及熱源加載方式后，采用求解壓力耦合的質(zhì)量、能量、動(dòng) 量守恒方程進(jìn)行迭代求解直至控制方程收斂。
[0028] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：
[0029] (1)考慮了粉層中不同材料顆粒的大小，顆粒間隙中氣相的存在等因素，不再將 粉塵視為連續(xù)性均勻介質(zhì)，從介觀尺度采用離散元法生成三維空間顆粒隨機(jī)分布的堆垛模 型，建立的隨機(jī)分布堆垛模型更加接近粉末顆粒的物理模型，為模擬激光束與粉末顆粒光 固耦合提供了基礎(chǔ)；
[0030] (2)構(gòu)建隨機(jī)分布堆垛模型的控制方程并建立多相流計(jì)算模型，由采用求解壓力 耦合的質(zhì)量、能量、動(dòng)量傳遞方程進(jìn)行迭代求解光固耦合過(guò)程中的溫度；
[0031] (3)通過(guò)對(duì)光固耦合溫度的數(shù)值模擬得到粉塵顆粒熔化記錄，觀察到不同時(shí)刻由 顆粒熔化坍塌流動(dòng)形成三維熔池的具體過(guò)程，獲得了沿著某一橫截面和縱截面的溫度分布 圖、速度矢量圖以及燒結(jié)頸形成圖，并可根據(jù)模擬結(jié)果初步預(yù)測(cè)出燒結(jié)成形件的致密度和 孔隙有可能出現(xiàn)的位置。
[0032] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變 得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0034] 圖1為介觀尺度的粉床模型原理圖；
[0035] 圖2為純AlSilOMg顆粒模型網(wǎng)格劃分圖；
[0036] 圖3為AlSilOMg+TiC增強(qiáng)相復(fù)合材料模型網(wǎng)格劃分圖；
[0037] 圖4為AlSilOMg顆粒與激光耦合過(guò)程溫度分布云圖；
[0038] 圖5為AlSi10Mg顆粒受激光輻射熔化過(guò)程動(dòng)態(tài)演變截面圖；
[0039] 圖6(a)、圖6 (b)為顆粒在激光輻射下燒結(jié)頸形成的過(guò)程演變圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性 的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0041] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)（包括技術(shù)術(shù) 語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)）具有本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng) 該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的 意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。
[0042] 本發(fā)明涉及的激光束與粉末顆粒光固耦合過(guò)程的介觀模擬方法以下三大步：首 先，在介觀尺度下建