熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法、装置和设备

摘要

本发明公开了一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法、装置和设备，重复以下步骤直至当前层的堆积体为预设层数的堆积体；获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数；根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材；基于当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算；在仿真计算达到预定的时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌，将当前层的堆积体的形貌更新为下一层的堆积体的形貌。本发明能够准确的预测堆积的行为和几何形貌，为工艺优化提供指导。

权利要求

1.一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其特征在于，包括：重复以下步骤直至当前层的堆积体为预设层数的堆积体；

获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数；

根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材；

基于当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算；

在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；

将当前层的堆积体的形貌更新为下一层的堆积体的形貌。

2.根据权利要求1所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其特征在于，获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数的步骤之前，还包括：获取预先建立的基板与丝材的三维几何模型进行网络划分后的生成的有限元分析模型；

根据所述有限元分析模型，获取对应的基板与丝材的物性参数以及熔丝增材制造的工艺参数；

基于基板与丝材的物性参数、熔丝增材制造的工艺参数、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算，以获得第一层的堆积体的形貌。

3.根据权利要求1所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其特征在于，在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌，具体为：在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并将与当前层的丝材对应的物性参数更新为空气参数；

更新与所述当前层的丝材对应的物理状态量；其中，所述物理状态量至少包括温度以及送丝速度，所述温度被更新为环境温度，所述送丝速度被更新为零；

基于空气参数、物理状态量，再次基于NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；其中，所述第二预定时间是使对应层的堆积体完全凝固的时间。

4.根据权利要求2所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其特征在于，所述丝材的物性参数包括导热系数、密度、固相线温度、液相线温度、沸点、熔化潜热、蒸发潜热、三维速度矢量、粘度系数、达西因子、重力加速度矢量以及热扩散系数；所述工艺参数包括送丝速度、热源功率、热源半径、扫描速度以及路径。

5.根据权利要求4所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其特征在于，NS方程组、温度场方程和界面追踪方程的表达式为：其中， 为三维速度矢量，p为压力，T为温度，ρ为密

度，μ为粘度系数，K为达西因子，g为重力加速度矢量，Tref为周围环境的温度，β为热扩散系数，为哈密顿算符， i、j、k分别为空间直角坐标系，x、y、z轴为正方向单位向量。

6.根据权利要求1所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其特征在于，根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材，具体为：在所述当前层的堆积体的预设位置，基于VOF函数中的网格中丝材所占的体积、丝材在当前网格中的体积以及当前网格体积，构造出当前层的丝材的几何实体；

根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体进行物性参数的赋值。

7.根据权利要求1所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其特征在于，根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材，具体为：在所述当前层的堆积体的预设位置，基于Level Set函数中的丝材表面的几何位置，网格中心到丝材表面的距离，网格在丝材外部的位置，网格在丝材表面的位置以及网格在丝材内部位置，构造出当前层的丝材的几何实体；

根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体的进行物性参数的赋值。

8.一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测装置，其特征在于，包括：第一获取单元，用于获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数；

构造单元，用于根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材；

第一仿真计算单元，用于基于当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算；

第二仿真单元，用于在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；

更新单元，用于将当前层的堆积体的形貌更新为下一层的堆积体的形貌。

9.根据权利要求8所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测装置，其特征在于，还包括：第二获取单元，用于获取预先建立的基板与丝材的三维几何模型进行网络划分后的生成的有限元分析模型；

第三获取单元，用于根据所述有限元分析模型，获取对应的基板与丝材的物性参数以及熔丝增材制造的工艺参数；

第四获取单元，用于基于基板与丝材的物性参数、熔丝增材制造的工艺参数、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算，以获得第一层的堆积体的形貌。

10.一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如权利要求1至7任意一项所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法。

说明书

熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法、装置和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及增材制造应用领域，尤其涉及一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法、装置和设备。

背景技术

[0002] 增材制造，是一种以数字化的几何模型为基础，通过烧结、熔融等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。熔丝增材制造是采用激光、电子束、电弧等热源熔化丝材，逐层逐道堆积，形成零件实体的增材制造技术。熔丝增材制造具有成形效率高，材料与能量利用率高的优点，在大型复杂金属零件高性能制造领域具有重要的应用前景。

[0003] 目前，熔丝增材制造技术应用于具体零件或结构的制造时，存在尺寸精度不足，表面粗糙，甚至是堆积体塌陷、失败等问题。这些问题的产生与增材制造中的多层多道堆积的物理行为密切相关。例如，堆积时，部分金属液的流动可能偏离设计的路径，容易产生塌陷或者形貌误差。传统的方式，需要预先开展大量的试错试验，测试与验证每一道的工艺方案，迭代优化，才能保证整体工艺方案的可行。然而，整个过程试验的时间消耗远大于实际打印零件的时间，并且材料消耗大，设备负担较重，整体的成本高，亟需新的有效且经济的方法对堆积工艺的优化进行指导。

[0004] 仿真方法一般被为是辅助工艺优化的有效手段，可以应用在熔丝增材制造工艺研发中。但是，现有的仿真方法及软件主要适用于增材制造应力变形的仿真。其一般流程是在仿真时预先定义好堆积体的形貌，再对温度与应力变形等行为进行仿真，无法对于过程中的流动、凝固等堆积行为进行预测，因而难以被用于指导堆积工艺的优化。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法、装置和设备，本发明能够准确的预测金属熔化、流动及凝固堆积的行为以及堆积体几何形貌，揭示了工艺参数与成形形貌的关系，为工艺优化提供指导。

[0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，包括：

[0007] 重复以下步骤直至当前层的堆积体为预设层数的堆积体；

[0008] 获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数；

[0009] 根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材；

[0010] 基于当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算；

[0011] 在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；

[0012] 将当前层的堆积体的形貌更新为下一层的堆积体的形貌。

[0013] 优选地，获取当前层的堆积体的形貌以及当前层的丝材的物性参数的步骤之前，还包括：

[0014] 获取预先建立的基板与丝材的三维几何模型进行网络划分后的生成的有限元分析模型；

[0015] 根据所述有限元分析模型，获取对应的基板与丝材的物性以及参数熔丝增材制造的工艺参数；

[0016] 基于基板与丝材的物性参数、熔丝增材制造的工艺参数、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算，以获得第一层的的堆积体的形貌。

[0017] 优选地，在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌，具体为：

[0018] 在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并将与所述丝材对应的物性参数更新为空气参数；

[0019] 更新与所述当前层的丝材对应的物理状态量；其中，所述物理状态量至少包括温度以及送丝速度，所述温度被更新为环境温度，所述送丝速度被更新为零；

[0020] 基于空气参数、物理状态量，再次基于NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；其中，所述第二预定时间是使对应层堆积体完全凝固的时间。

[0021] 优选地，所述丝材的物性参数包括导热系数、密度、固相线温度、液相线温度、沸点、熔化潜热、蒸发潜热、三维速度矢量、粘度系数、达西因子、重力加速度矢量以及热扩散系数；所述工艺参数包括送丝速度、热源功率、热源半径、扫描速度以及路径。

[0022] 优选地，NS方程组、温度场方程和界面追踪方程的表达式为：

[0023]

[0024]

[0025] 其中， 为三维速度矢量，p为压力，T为温度，ρ为密度，μ为粘度系数，K为达西因子，g为重力加速度矢量，Tref为周围环境的温度，β为热扩散系数，为哈密顿算符， i、j、k分别为空间直角坐标系；x、y、
z轴为正方向单位向量。

[0026] 优选地，根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材，具体为：

[0027] 在所述当前层的堆积体的预设位置，基于VOF函数中的网格中丝材所占的体积、丝材在当前网格中的体积以及当前网格体积，构造出当前层的丝材的几何实体；

[0028] 根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体进行物性参数的赋值。

[0029] 优选地，根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材，具体为：

[0030] 在所述当前层的堆积体的预设位置，基于Level Set函数中的丝材表面的几何位置，网格中心到丝材表面的距离，网格在丝材外部的位置，网格在丝材表面的位置以及网格在丝材内部位置，构造出当前层的丝材的几何实体。

[0031] 根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体的进行物性参数的赋值。

[0032] 第二方面，本发明实施例还提供了一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测装置，包括：

[0033] 第一获取单元，用于获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数；

[0034] 构造单元，用于根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材；

[0035] 第一仿真计算单元，用于基于当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算；

[0036] 第二仿真单元，用于在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；

[0037] 更新单元，用于将当前层的堆积体的形貌更新为下一层的堆积体的形貌。

[0038] 优选地，还包括：

[0039] 第二获取单元，用于获取预先建立的基板与丝材的三维几何模型进行网络划分后的生成的有限元分析模型；

[0040] 第三获取单元，用于根据所述有限元分析模型，获取对应的基板与丝材的物性参数以及熔丝增材制造的工艺参数；

[0041] 第四获取单元，用于基于基板与丝材的物性参数、熔丝增材制造的工艺参数、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算，以获得第一层的的堆积体的形貌。

[0042] 优选地，第二仿真单元，具体包括：

[0043] 第一更新模块，用于在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并将与所述丝材对应的物性参数更新为空气参数；

[0044] 第二更新模块，用于更新与所述当前层的丝材对应的物理状态量；其中，所述物理状态量至少包括温度以及送丝速度，所述温度被更新为环境温度，所述送丝速度被更新为零；

[0045] 堆积体形貌形成模块，用于基于空气参数、物理状态量，再次基于NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；其中，所述第二预定时间是使对应层堆积体完全凝固的时间。

[0046] 优选地，所述丝材的物性参数包括导热系数、密度、固相线温度、液相线温度、沸点、熔化潜热、蒸发潜热、三维速度矢量、粘度系数、达西因子、重力加速度矢量以及热扩散系数；所述工艺参数包括送丝速度、热源功率、热源半径、扫描速度以及路径。

[0047] 优选地，NS方程组、温度场方程和界面追踪方程的表达式为：

[0048]

[0049]

[0050] 其中，为三维速度矢量，p为压力，T为温度，ρ为密度，μ为粘度系数，K为达西因子，g为重力加速度矢量，Tref为周围环境的温度，β为热扩散系数， 为哈密顿算符， i、j、k分别为空间直角坐标系；x、y、z
轴为正方向单位向量。

[0051] 优选地，构造单元，具体包括：

[0052] 第一构造模块，用于在所述当前层的堆积体的预设位置，基于VOF函数中的网格中丝材所占的体积、丝材在当前网格中的体积以及当前网格体积，构造出当前层的丝材的几何实体；

[0053] 第一赋值模块，用于根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体进行物性参数的赋值。

[0054] 优选地，构造单元，具体包括：

[0055] 第二构造模块，用于在所述当前层的堆积体的预设位置，基于Level Set函数中的丝材表面的几何位置，网格中心到丝材表面的距离，网格在丝材外部的位置，网格在丝材表面的位置以及网格在丝材内部位置，构造出当前层的丝材的几何实体。

[0056] 第二赋值模块，用于根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体的进行物性参数的赋值。

[0057] 第三方面，本发明实施例还提供了一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如第一方面所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法。

[0058] 第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法。

[0059] 实施本发明实施例，具有如下有益效果：

[0060] 在上述一实施例中，根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材，然后根据当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的几何实体、NS方程组、温度场方程和界面追踪方程，对当前层的熔丝增材过程进行仿真，在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌，直至完成预设层数的堆积体的形貌为堆积体的形貌。本发明通过对熔丝增材制造多层多道堆积行为的模拟，预测金属熔化、流动及凝固堆积的行为以及堆积体几何形貌，揭示工艺参数与成形形貌的关系，为工艺优化提供指导。

附图说明

[0061] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中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方式，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。

[0062] 图1是本发明第一实施例提供的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法的流程示意图。

[0063] 图2为本发明实施例中提供基板与丝材的几何模型的结构示意图。

[0064] 图3为本发明实施例中提供的第一层的堆积体的堆积过程的温度与形貌的示意图。

[0065] 图4为本发明实施例中提供的当前层的堆积体的形貌的示意图。

[0066] 图5为本发明实施例中提供的在当前层的堆积体的预设位置构造的当前层的丝材几何体的结构图。

[0067] 图6为本发明实施例中提供的对下一层的堆积体的堆积过程的温度与形貌的示意图。

[0068] 图7是本发明第二实施例提供的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测装置的结构示意图。

具体实施方式

[0069] 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他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0070] 为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

[0071] 应当明确，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作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。

[0072] 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。

[0073] 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。

[0074] 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)”。

[0075] 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以外的顺序实施。

[0076] 实施例一：

[0077] 请参阅图1至图6，本发明第一实施例提供了一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法，其可由熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测设备(以下简称预测设备)来执行，特别的，由预测设备内的一个或多个处理器来执行，并至少包括如下步骤：

[0078] S101，获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数。

[0079] 在本实施例中，由于当前层的堆积体的形貌30是在上一层的堆积体的形貌的基础上形成的，即若上一层的堆积体为第一层的堆积体的形貌，则当前层的堆积体的形貌30为第二层的堆积体的形貌，依次类推。因此，首先需要计算第一层的堆积体的形貌才能开始后续计算，而第一层的堆积体的形貌是在基板20上堆积而成的，具体地，预测设备需获取预先建立的基板20与丝材10的三维几何模型(如图2所示)进行网络划分后的生成的有限元分析模型，然后根据所述有限元分析模型，获取对应的基板20与丝材10的物性以及参数熔丝增材制造的工艺参数，最后，根据获得的基板20与丝材10的物性参数、熔丝增材制造的工艺参数，基于基板20与丝材10的物性参数、熔丝增材制造的工艺参数、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算，以获得第一层的堆积体的形貌30(如图3和4所示)。当然，需要说明的是，为了使得分析结果有足够的精度，其中丝材直径、送丝角度、起始位置需与实际工艺相同，而为加速计算，丝材长度与基板模型的大小可比实际小。

[0080] 其中，所述丝材10的物性参数包括导热系数、密度、固相线温度、液相线温度、沸点、熔化潜热、蒸发潜热、三维速度矢量、粘度系数、达西因子、重力加速度矢量以及热扩散系数；所述工艺参数包括送丝速度、热源功率、热源半径、扫描速度以及路径等等，上述参数能够使得模拟的环境无限接近于实际的熔丝环境。

[0081] S102，根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材。

[0082] 参见图5，在一种实现方式中，可以基于VOF函数来构造出当前层的丝材40。本实施例中，在所述当前层的堆积体的预设位置，基于VOF函数中的网格中丝材所占的体积、丝材在当前网格中的体积以及当前网格体积，构造出当前层的丝材的几何实体；其中，VOF函数的表达式为： F为网格中丝材所占的体积分数，Vwire为丝材在当前网格中的体积，Vcell为当前网格体积。

[0083] 需要说明的是，在另一种实现方式中，也可以基于Level Set函数来构造出当前层的丝材40。本实施例中，在所述当前层的堆积体的预设位置，基于Level Set函数中的丝材表面的几何位置，网格中心到丝材表面的距离，网格在丝材外部的位置，网格在丝材表面的位置以及网格在丝材内部位置，构造出当前层的丝材的几何实体；其中，Levelset函数的表达式为； 为网格的Level Set函数值，Γ(0)表示丝材表面的几何位置， 表示网格中心到丝材表面的距离，x∈Ω1表示网格在丝材外部的位置，x∈Γ(0)表示网格在丝材表面的位置，x∈Ω2表示网格在丝材内部的位置，在此，本发明不再赘述。

[0084] 需要说明的是，由于构造出当前层的丝材的几何实体，则相应的物性参数以及物理状态量会不一样，因此，需要对当前层的丝材的几何实体的进行物性参数以及物理状态量的赋值，具体地，根据Level Set函数构造出当前层的丝材的几何实体，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体的进行物性参数以及物理状态量的赋值；例如，以密度为例，若根据Level  Set函数构造出当前层的丝材的几何实体，则相应赋值表达式为：其中，ρ为预设位置的密度，ρair为空气密度，
ρwire为丝材的密度，Hα为Heaviside函数，α为到丝材表面的距离常值。再例如，以温度和速度为例，则相应赋值表达式为： Twire为丝材温度， 为送
丝速度。

[0085] 那么，根据VOF函数构造出当前层的丝材的几何实体，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体的进行物性参数的赋值，例如，以密度为例，若根据VOF函数构造出当前层的丝材的几何实体，则相应赋值表达式为：ρ＝(1-F)·ρair+F·ρwire；F为VOF函数值。再例如，以温度和速度为例，则相应赋值表达式为：

[0086] S103，基于当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算。

[0087] 在本实施例中，所述NS方程组、温度场方程和界面追踪方程的表达式为：

[0088]

[0089] 其中， 为三维速度矢量，p为压力，T为温度，ρ为密度，μ为粘度系数，K为达西因子，g为重力加速度矢量，Tref为周围环境的温度，β为热扩散系数，为哈密顿算符， i、j、k分别为空间直角坐标系；x、y、
z轴为正方向单位向量。

[0090] S104，在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌。

[0091] 参见图6，在本实施例中，在熔丝增材完成后(即仿真计算达到第一预定时间，第一预定时间根据增材的需要设置)，融化的丝材会继续流动直至凝固。则本实施例还需要仿真丝材的流动至凝固的过程，使得速度场连续，保证后续计算的稳定性。其中，在流动和凝固阶段，一方面不需要有新丝材的融合，另外，其物理状态量也需要相应更改。

[0092] 为此，在本实施例中，在仿真计算达到第一预定时间后，需先移除当前层的丝材40，并将与所述丝材40对应的物性参数更新为空气参数，然后更新与所述当前层的丝材对应的物理状态量；其中，所述物理状态量至少包括温度以及送丝速度，所述温度被更新为环境温度，所述送丝速度被更新为零；然后基于空气参数、物理状态量，再次基于NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；
其中，所述第二预定时间是使对应层堆积体完全凝固的时间。其中，物理状态量其替换按照以下方式进行：

[0093] S105，将当前层的堆积体的形貌更新为下一层的堆积体的形貌。

[0094] 在本实施例中，当判断更新后的当前层的堆积体的形貌30不是预设层数的堆积体的形貌时，则重复以上步骤直至当前层的堆积体30为预设层数的堆积体。

[0095] 综上，根据当前层的丝材40的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材，然后根据当前层的堆积体的形貌30、当前层的丝材40、NS方程组、温度场方程和界面追踪方程，对当前层的熔丝增材过程进行仿真，在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌，直至完成预设层数的堆积体的形貌为堆积体的形貌。本发明通过对熔丝增材制造多层多道堆积行为的模拟，预测金属熔化、流动及凝固堆积的行为以及堆积体几何形貌，揭示工艺参数与成形形貌的关系，为工艺优化提供指导。

[0096] 为便于对本发明的理解，下面以实际的应用场景来说明本实施例的应用。

[0097] 步骤1，建立基板与丝材的三维几何模型，如图2所示，其中丝材直径1.2mm，并对几何模型进行网格划分；步骤2，定义基板与丝材的物性参数，设定熔丝增材制造的工艺参数，其中丝材与基板材料均为Ti-6Al-4V，工艺为激光熔丝增材，工艺参数设置功率3.5kW,送丝速度1.2m/min,扫描速度0.6m/min,直线扫描；步骤3，基于NS方程组、温度场方程，对第一道熔丝增材堆积过程的仿真计算，如图3。步骤4，在第一道堆积过程计算完成时，移除丝材的几何实体，并将其空间位置上物性参数与物理状态量进行替换，如图4。步骤5，基于第三步的方程继续进行50ms的计算，使得速度场连续，保证后续计算的稳定性；步骤6，在设定的第二道或第二层堆积的开始位置构造出新的丝材，并对丝材位置赋予相应的物性参数与物理状态，如图5。步骤7，基于NS方程组、温度场方程，进行第二道或第二层堆积行为的仿真，如图6。步骤8，重复第三到七步，直至所需的多层多道堆积过程仿真计算完成。

[0098] 本发明第二实施例：

[0099] 参见图7，本发明实施例还提供一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测装置，其包括：

[0100] 第一获取单元100，用于获取当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材的物性参数；

[0101] 构造单元200，用于根据当前层的丝材的物性参数，在所述当前层的堆积体的预设位置构造出所述当前层的丝材；

[0102] 第一仿真计算单元300，用于基于当前层的堆积体的形貌、当前层的丝材、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算；

[0103] 第二仿真单元400，用于在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并再次仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；

[0104] 更新单元500，用于将当前层的堆积体的形貌更新为下一层的堆积体的形貌。

[0105] 在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，还包括：

[0106] 第二获取单元，用于获取预先建立的基板与丝材的三维几何模型进行网络划分后的生成的有限元分析模型；

[0107] 第三获取单元，用于根据所述有限元分析模型，获取对应的基板与丝材的物性参数以及熔丝增材制造的工艺参数；

[0108] 第四获取单元，用于基于基板与丝材的物性参数、熔丝增材制造的工艺参数、NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程进行熔丝增材堆积过程的仿真计算，以获得第一层的的堆积体的形貌。

[0109] 在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，第二仿真单元，具体包括：

[0110] 第一更新模块，用于在仿真计算达到第一预定时间后，移除当前层的丝材，并将与所述丝材对应的物性参数更新为空气参数；

[0111] 第二更新模块，用于更新与所述当前层的丝材对应的物理状态量；其中，所述物理状态量至少包括温度以及送丝速度，所述温度被更新为环境温度，所述送丝速度被更新为零；

[0112] 堆积体形貌形成模块，用于基于空气参数、物理状态量，再次基于NS方程组、温度场方程以及界面追踪方程仿真计算达到第二预定时间，以形成下一层的堆积体的形貌；其中，所述第二预定时间是使对应层堆积体完全凝固的时间。

[0113] 在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，所述丝材的物性参数包括导热系数、密度、固相线温度、液相线温度、沸点、熔化潜热、蒸发潜热、三维速度矢量、粘度系数、达西因子、重力加速度矢量以及热扩散系数；所述工艺参数包括送丝速度、热源功率、热源半径、扫描速度以及路径。

[0114] 在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，NS方程组、温度场方程和界面追踪方程的表达式为：

[0115]

[0116]

[0117] 其中 为三维速度矢量，p为压力，T为温度，ρ为密度，μ为粘度系数，K为达西因子，g为重力加速度矢量，Tref为周围环境的温度，β为热扩散系数，为哈密顿算符， i、j、k分别为空间直角坐标系；x、y、z
轴为正方向单位向量。

[0118] 在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，构造单元200，具体包括：

[0119] 第一构造模块，用于在所述当前层的堆积体的预设位置，基于VOF函数中的网格中丝材所占的体积、丝材在当前网格中的体积以及当前网格体积，构造出当前层的丝材的几何实体；

[0120] 第一赋值模块，用于根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体进行物性参数的赋值。

[0121] 在上述实施例的基础上，本发明一优选实施例中，具体包括：

[0122] 第二构造模块，用于在所述当前层的堆积体的预设位置，基于Level Set函数中的丝材表面的几何位置，网格中心到丝材表面的距离，网格在丝材外部的位置，网格在丝材表面的位置以及网格在丝材内部位置，构造出当前层的丝材的几何实体。

[0123] 第二赋值模块，用于根据当前层的丝材的物性参数，基于界面追踪对所述当前层的丝材的几何实体的进行物性参数的赋值。

[0124] 本发明第三实施例：

[0125] 本发明第三实施例提供了一种熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如上述所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法。

[0126] 本发明第四实施例：

[0127] 本发明第四实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述所述的熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法。

[0128] 示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个单元，所述一个或者多个单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法设备中的执行过程。

[0129] 所述熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测设备可包括但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法设备的示例，并不构成对熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

[0130] 所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测方法设备的各个部分。

[0131] 所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

[0132] 其中，所述熔丝增材制造多层多道堆积行为的预测设备集成的单元如果以软件功能单元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，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

[0133] 需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0134] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。