[发明专利]金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法

权利要求书

1.一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，用于对金属增材制造过程中产生的显微组织演化、冶金缺陷的形成与发展、加工气体成分影响机制、金属粉末颗粒溅射以及残余应力与变形进行多尺度多物理场耦合仿真模拟，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，通过动态数据建模的方式，建立金属增材制造工艺数据模型，其中包括增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库；

S2，在微观尺度上，基于量子力学理论，通过第一性原理计算软件开展第一性原理计算，获取增材金属材料的微观物理性质；

S3，基于第一性原理计算结果，建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，进一步采用分子动力学理论，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，获取金属的熔化、汽化和凝固相变特性，获取加工气体成分影响机制，以及获取孔洞、裂纹、残余应力与变形这些微观缺陷特征；

S4，在介观尺度上，基于等离子体理论和PIC算法，对电子束或者激光加热金属粉末熔化过程中产生的等离子进行研究，获取等离子体的电子能量、惯性聚变能、等离子体加速效应及其产生的影响机制；

S5，在宏观尺度上，采用三维几何建模软件创建金属增材制造三维几何模型，使用有限元网格划分软件划分有限元网格；利用流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台，模拟增材制造过程中的流场、温度场、磁场、应力场和结构变形特性，研究金属材料的熔化与凝固、金属粉末颗粒的溅射、孔洞和裂纹的形成与发展以及残余应力与变形情况；

S6，基于多尺度多物理场耦合仿真结果，对金属增材制造过程中的孔洞、裂纹、残余应力与变形这些缺陷进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立针对不同缺陷种类及分布情况的工艺参数反馈控制模型，优化金属增材制造工艺参数。

2.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述增材材料数据库中包括增材金属的材料参数以及微观金属晶体结构；所述工艺参数数据库中包括能量源种类、能量源功率、金属粉末质量、铺粉厚度、扫描路径、扫描速率、保护气体、基底温度以及冷却速率；所述设备技术参数数据库中包括加工成形腔尺寸、成形精度以及成形效率。

3.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：从增材金属材料的微观物理性质出发，通过第一性原理计算软件，获得增材金属材料在高温作用下的特征参数，所述特征参数包括晶格常数、体弹性模量、电子密度分布和能带结构中的一个或多个参数，阐明材料结构与性能的关系，研究增材金属材料在加热熔化过程中的热动力学性质，所述热动力学性质包括线性热膨胀系数和热容。

4.如权利要求3所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，对金属材料在加热熔化过程中的平衡熔点、热状态方程、熔化曲线、相变过程中的熔化体积和熔化熵、固液界面能以及降温冷却后形成的微观形貌、孔隙与裂纹进行量化分析；建立金属增材制造微观气体成分模型，研究加工过程中气体成分对成形质量的影响。

5.如权利要求4所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S3还包括：基于所述步骤S2中获得的增材金属材料的特征参数，对分子动力学仿真中的描述原子与原子间相互作用的势函数进行优化，从而提高分子动力学仿真的精度。

6.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S4中，基于PIC算法将金属熔化过程中的等离子作为通过电磁场相互作用的颗粒模型，并通过以下方法对电子束或者激光加热金属产生的等离子体进行研究，分析等离子体效应的微观作用机制：首先，通过在网格上进行插值计算对颗粒数量、电荷、电流密度颗粒源信息进行设置；其次，基于电流密度信息，通过求解麦克斯韦方程获得电场、磁场信息；最后，基于牛顿第二定律和洛伦兹力，对颗粒在电磁场中的运动进行追踪。