一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法

摘要

本发明提供了一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法，将激光选取熔化的成型过程按顺序拆分为单层激光扫描模型、局部双层模型和结构件模型进行仿真，包括：建立单层激光扫描模型，选择材料、热源类型、热源移动路径、热源参数；建立局部双层模型，模拟粉末熔化凝固过程获得双层模型的变形，并通过数据拟合的方式得到此种材料下的固有应变值；建立结构件模型，将固有应变值换算为热膨胀系数并替代材料原有的热膨胀系数，并将新得到的热膨胀系数作为材料参数加载在结构件模型上，对模拟结构件模型进行层层叠加，得到零件的最终变形。

权利要求

1.一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法，其特征在于，将激光选区熔化的成型过程按顺序拆分为单层激光扫描模型、局部双层模型和结构件模型进行仿真，将零件成形过程分为以上三个递进模型进行仿真，前一模型均为后一模型的一部分，并为后一模型提供关键性仿真参数，通过三级固有应变有限元法对结构件进行仿真分析，包括：

1）建立单层激光扫描模型，选择材料、热源类型、热源移动路径、热源参数，热源选择旋转体热源与面热源结合的混合热源；

2）加载旋转体热源和面热源，进行热分析，得到单层激光扫描模型上的温度分布云图，根据其熔点所在等温面确定熔道尺寸；

3）根据SEM镜下实际熔道尺寸对热源的尺寸参数进行修改，得到修改后的热源参数；

4）加载旋转体热源与面热源，建立局部双层模型，模拟粉末熔化凝固过程获得双层模型的变形，得到变形云图，对变形云图进行网格划分，并对网格线进行取值拟合得到此种工艺参数和材料下的固有应变值；

5）建立结构件模型，将固有应变值换算为热膨胀系数并替代材料原有的热膨胀系数，并将新得到的热膨胀系数作为材料参数加载在结构件模型上，对模拟结构件模型进行层层叠加，得到零件的最终变形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在层层叠加时，按照模型大小合并若干单层为每一大层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，材料参数选择AlSi10Mg铝合金。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用生死单元法模拟粉末熔化凝固过程。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用热机耦合分析得到双层模型的变形。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用热应力法将固有应变值换算为热膨胀系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用生死单元法模拟模型的层层叠加。

说明书

一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光选区熔化技术，特别是一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法。

背景技术

[0002] 激光选区熔化是一种实现直接成形复杂三维零件的增材制造技术，其利用高能量激光束按照一定的扫描路径熔化金属粉末、控制单层成形面形状，通过逐层固化叠加的方式成形复杂形状的金属零件。在实际零件成型过程中，由于高能激光束使粉末瞬间升温熔化，激光扫过之后有快速冷却凝固，极大的温度梯度使零件内部产生了残余应力，当局部应力集中后，零件将会发生翘曲变形甚至开裂。为避免成型失败，需采用有限元方法对零件整体成型过程进行仿真并得到最终变形结果，对后续选取工艺参数提供参考。对提高激光选区熔化成型件质量，降低废件率，降低制造成本有很大意义。

[0003] 实际应用中大多采用做实验的方式来调整参数，即用不同工艺参数打印小方块件，研究小方块件的致密度和变形来得到合适的工艺参数，这种调参方式操作复杂、耗时很长且成本较高，量取变形也会有较大的误差。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法，通过三级固有应变有限元法对结构件进行仿真分析，最终得到变形结果，为工艺参数的优化提供参考。

[0005] 实现本发明目的的技术方案为：一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法，其特征在于，将激光选区 熔化的成型过程按顺序拆分为单层激光扫描模型、局部双层模型和结构件模型进行仿真，包括：

[0006] 建立单层激光扫描模型：选择材料参数、热源类型、热源移动路径、热源尺寸参数；

[0007] 建立局部双层模型：模拟粉末熔化凝固过程获得双层模型的变形，并通过数据拟合的方式得到此种材料下的固有应变值；

[0008] 建立结构件模型：将固有应变值换算为热膨胀系数作为材料参数加载在模型上，模拟模型的层层叠加，得到零件的最终变形。

[0009] 本发明基于有限元仿真计算，激光选区熔化成型原理，结合热弹塑性有限元法，在减少计算时间，简化定义步骤的同时保证仿真的准确性，为激光选区熔化工艺参数优化提供参考。

[0010] 下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

[0011] 图1为单道激光扫描模型示意图。

[0012] 图2为单道模型仿真结果温度云图。

[0013] 图3为SEM镜下实际熔道截面图。

[0014] 图4为双层局部模型示意图。

[0015] 图5为双层局部模型仿真结果位移云图。

[0016] 图6为双层局部模型的取值线示意图。

[0017] 图7为固有应变取值拟合结果示意图。

[0018] 图8为结构件模型示意图。

[0019] 图9为结构件模型仿真结果位移云图。

[0020] 图10为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

[0021] 结合图10，一种预测激光选区熔化成型件变形的有限元仿真方法，采用MSC.Marc 2016版实现，包括对单层激光扫描模型、局部双层模型和结构件模型依次进行仿真。将零件成形过程拆分为三个递进模型进行仿真，前一模型均为后一模型的一部分，并为后一模型提供关键性仿真参数。具体地，包括以下步骤：

[0022] 步骤1，建立激光单道扫描模型并划分网格，如图1所示，模拟激光在粉床上的单道扫描；设置表面层为粉末层，以下均为基板层；

[0023] 步骤2，加载旋转体热源和面热源后熔池截面如图2所示，进行热分析，得到模型上的温度分布云图，根据其熔点所在等温面确定熔道尺寸；

[0024] 步骤3，根据SEM镜下实际熔道尺寸对热源模型尺寸参数进行修改，得到修改后的热源参数；SEM镜熔道截面如图3所示；

[0025] 步骤4，建立双层局部模型并划分网格如图4所示，模拟简单的双层铺粉成型件扫描；

[0026] 步骤5，加载旋转体热源与面热源，其最终变形云图如图5所示；

[0027] 步骤6，通过热机耦合分析得到此种工艺参数和材料下的固有应变；

[0028] 步骤7，运用热应力法对固有应变进行转化为热膨胀系数；

[0029] 步骤8，建立结构件模型，模拟结构件的实际成型过程；

[0030] 步骤9，采用生死单元法模拟模型的层层叠加得到结构件变形结果。

[0031] 步骤1中，在单层激光扫描模型的建立中，要选取材料参数、热源类型、热源移动路径、热源尺寸参数。材料参数选择AlSi10Mg铝合金，热源选择旋转体热源与面热源结合的混合热源，通过定义热源移动路径模拟激光扫描，通过热分析得到其熔池大小确定激光热源参数。

[0032] 步骤4中，采用生死单元法模拟粉末熔化凝固过程。

[0033] 步骤5中，对变形云图进行网格划分 ，并对网格线进行取值拟合得到固有应变值。

[0034] 步骤6中，按照图6所示对a、b、c、d四线进行取值拟合得到相应的固有应变值，如图7所示。