[发明专利]一种选择性激光修复过程的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种选择性激光修复过程的数值模拟方法：第一步：修复零件及待修复区三维几何模型的建立及有限元网格划分；第二步：确定修复路线工艺参数；通过修复区形貌确定修复区域的所需的层高、修复道数、激光最优功率参数及电流脉宽参数；第三步：修复区域粉末材料参数前处理、热源加载条件的建立；第四步：定义热源参数，利用生死应变法求得最终的温度场；第五步：计算残余应力场；第六步：根据应力分布的计算结果，判断修复区域的最大等效应力是否达到粉末材料的许用应力。本发明的数值模拟方法，能优化修复工艺参数、提高零件一次性修复率、降低由于热应力产生的变形。

技术领域

本发明属于激光打印技术领域，具体涉及一种选择性激光修复过程的数值模拟方法。

背景技术

激光送粉修复设备由400W-YAG激光器、三坐标数控工作台、粉末输送控制系统等组成，激光送粉修复是一种新型的快速修复工艺，做为增材制造行业的新型工艺，其加工原理符合离散-堆积成型原理。其修复原理是以激光发射器为加工能源，利用计算机来控制激光束对加工材料(金属粉末)熔覆路径，按预定的速度并调整合适的激光能量参数，并根据修复区截面轮廓的二维数据信息进行激光烧结，层层堆积，修复结束后再对零件进行打磨、喷砂等一系列后处理操作便可以获得零件。其与传统的堆焊修复相比，是一种精密修复工艺，其修复缺陷少(热影响区小)，使其在航空航天领域零件修复中起到举足轻重的作用。

在航空航天领域，由于激光修复过程的精密性、高效性，已被越来越多的技术人员所关注。虽然相对于传统焊接，其加工效率和质量已经提高很多，但在其修复过程中，由于激光功率较大、冷却速率快，在修复更为精密零件时不可避免会引起热输入集中导致的应力分布的不均衡，进而导致修复件的变形、甚至出现二次裂纹源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种选择性激光修复过程的数值模拟方法，能优化修复工艺参数、提高零件一次性修复率、降低由于热应力产生的变形。

本发明所采用的技术方案是，一种选择性激光修复过程的数值模拟方法，具体包括如下步骤：

第一步：建立修复零件及待修复区三维几何模型，对建立的三维几何模型进行有限元网格划分；

第二步：待第一步完成后，通过修复区形貌确定修复区域所需的层高、修复道数、激光最优功率参数及电流脉宽参数；

第三步：待第二步完成后，对修复零件及修复区粉末材料参数进行前处理，并建立热源加载条件；

第四步：待第二步和第三步完成后，对热源参数进行定义，并利用生死应变法求得最终的温度场；

第五步：在第四步求得三维几何模型的温度场的基础上，采用间接法求解修复结束后整个修复零件及修复区的残余应力场；

第六步：根据第五步应力分布的计算结果，判断修复区的最大等效应力是否达到粉末材料的许用应力；若未达到，修复零件理论条件下不会产生裂纹；若达到，修复零件具有产生裂纹的安全隐患。

本发明的特点还在于：

第一步具体按照以下方法实施：

在CAD软件中建立修复零件及待修复区的三维几何模型，并导入CAE二次开发子程序中，对所建立的三维几何模型进行网格划分，网格划分采用局部网格细化法进行划分，最大网格尺寸不能高于设定网格尺寸；

在修复区的修复热影响区部分用加密的全六面体网格，即六面体网格单元尺寸为修复模型包络体的边长的0.01-0.008倍；在远离修复热影响区的区域，采用网格单元为加密的全六面体网格的4-5倍单元的网格；所述零件及其修复区域的单元网格要控制在0.5mm以下。

第三步中：

对于修复零件及修复区粉末材料高温下的导热系数、热辐射系数、对流换热系数、相变潜热与热焓相关的非线性情况，均通过二次开发脚本化的手段实现自定义；