[发明专利]激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法

说明书

技术领域

本发明公开了激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法，属于激光金属成形工艺的技术领域。

背景技术

激光增材制造是近年来发展迅速的一种快速成形方法，它可以直接用金属粉末来成形高致密度的三维零件，并且很少需要后续热处理强化或者金属二次熔浸等辅助工艺手段。然而，由于激光增材制造技术采用的热源是激光，成形件的最终质量与激光和粉末的耦合效应密切相关。一直以来，围绕激光和粉层的作用机理和过程控制的研究并不多见，虽然许多关于熔池的模拟也取得了一定的研究成果，但以往的研究大多集中在温度场和应力场的模拟，是通过改变加工参数来观察温度场和应力场的变化，从而分析预测不同加工参数对成形件最终质量的影响，并且建立的模型都是宏观层面的，将粉层视为连续均匀的介质，即相当于把粉末层视为块体，并未考虑粉末颗粒堆垛的特殊结构所带来的影响。而现实中，由于粉末颗粒之间存在大量的孔隙，因而粉体对激光的吸收不同于块体，空隙对激光的吸收类似于黑体，激光经过穿透和反射可以进入粉层更深处，这就大大提高了材料对激光的吸收率，并且，粉末颗粒的外表面多为球体或者其他不规则多面体，大大增加了表面积，也提高了粉层表面的受光面积，这也与块体材料所不同。所以从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔化、传热传质过程是有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法，考虑到粉末颗粒堆垛结构对激光吸收率的影响，在介观尺度下模拟粉末颗粒与激光耦合的过程，对耦合过程的温度进行数值模拟以记录粉末颗粒熔化过程，无需改变加工参数后观察温度场和的变化，解决了现有技术在宏观层面建立熔池模型且未考虑粉末颗粒堆垛结构对光固耦合过程的影响的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法，包括如下步骤：

A、在介观尺度下建立粉床的三维随机分布颗粒堆积模型，所述三维随机分布颗粒堆积模型通过向介观尺度下粉床部分及其上方空气区域组成的计算区域内随机填充粉末颗粒形成；

B、构建所述三维随机分布颗粒堆积模型的控制方程；

C、采用多相流算法在控制方程约束下解算所述三维随机分布颗粒堆积模型以获取熔化流动过程。

进一步的，所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法中，步骤A采用如下方法在介观尺度下建立仅含有单一粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型：

首先，对计算区域内单一粉末颗粒即将填充的区域进行局部网格细分，上方空气区域保持粗网格状态；

接着，初始化计算区域得到介观尺度下单一粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型。

进一步的，所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法中，步骤A采用如下方法在介观尺度下建立复合粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型：

首先，对计算区域内粉末即将填充的区域进行局部网格细分，上方空气区域保持粗网格状态；

接着，初始化计算区域得到介观尺度下单一合金材料粉末颗粒的随机分布模型；

然后，在单一合金材料粉末颗粒的间隙中随机填充增强相粉末颗粒得到复合粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型。

再进一步的。所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法，步骤B中构建的随机分布颗粒堆积模型的控制方程包括：

质量守恒方程：