[发明专利]激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法

说明书

本发明提供一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，涉及激光制造技术领域。该方法首先得到粉末物性参数和同轴送粉喷嘴的材料参数及结构参数；再进行参数标定获得仿真实验参数，根据同轴送粉喷嘴结构参数建立同轴送粉喷嘴三维计算模型，并利用离散元方法建立粉末颗粒模型和同轴送粉喷嘴粉末颗粒运动的离散元仿真模型，然后采用计算流体力学方法建立同轴送粉喷嘴气‑粉两相模型，进而得到同轴送粉喷嘴的气‑粉流场分布情况。本发明提供的激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，充分考虑了气‑粉两相之间的作用关系以及离散相粉末颗粒物性等因素对粉流流场的影响，从而准确获得了同轴送粉喷嘴粉流流场分布情况。

技术领域

本发明涉及激光制造技术领域，尤其涉及一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法。

背景技术

激光增材再制造技术是近年来兴起的一种表面修复技术，使用该技术对失效或误加工零件进行再制造修复，能够极大地降低生产成本，具有很好的现实意义。同轴送粉喷嘴作为激光增材再制造过程中的重要部件，它引导粉末流均匀送入激光强作用区域与基体同时熔化形成熔覆层，因此它的工作性能直接影响再制造后的成形质量。目前，激光增材再制造最优加工工艺仍以试凑性试验为主，还没有足够的技术和理论能够控制再制造后的成形质量，它主要的技术缺陷之一在于粉末输送稳定性差、粉末使用率低，因此，如何准确得出同轴送粉喷嘴粉末流场运动规律、改善送粉稳定性以提高粉末使用率以及能够精确调控送粉工艺参数是激光增材再制造丞待解决的一大难题。

现有数值模拟技术中，同轴送粉喷嘴气-粉两相流模型主要为基于计算流体力学方法的DPM离散相模型和Euler-Euler双流体模型。Euler-Euler双流体模型是将粉末流当做拟流体，不考虑颗粒-颗粒、颗粒-几何之间的碰撞等问题，忽略了大多数颗粒本身物性特征；而DPM模型是单相耦合，是将粉末颗粒当做空间上的一个个质点，仅仅考虑它的质量而不考虑本身的形状、体积对流场的作用，这样虽然通过计算能够大致得到粉末流场的变化趋势，但是并不能准确描述粉末流在实际情况下的流场分布情况，对改善同轴送粉喷嘴送粉性能的指导作用不大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，实现准确描述同轴送粉喷嘴粉流流场分布情况。

激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、通过试验获取同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数，通过测量获取同轴送粉喷嘴的材料参数及结构参数；

所述试验获取的同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数包括：粉末颗粒的粒度分布、粉末颗粒的形状、粉末颗粒的密度、粉末颗粒的休止角以及粉末颗粒在同轴送粉喷嘴壁面的滑动角；

所述测量获取的同轴送粉喷嘴的材料参数包括：喷嘴材料的密度、泊松比和剪切模量；

所述测量获取的同轴送粉喷嘴的结构参数包括：粉末入口直径、粉末入口数量、粉末入口角度、喷嘴环型通道内壁直径和外壁直径、喷嘴的漏斗状渐缩环型通道内外壁与水平面的夹角、喷嘴粉末流的环型出口宽度以及圆柱形计算域的直径和高度；

步骤2、根据所述粉末颗粒的物性参数，在离散元软件中建立同等物性参数下的仿真实验，并将仿真结果与步骤1中的试验结果进行比对，标定仿真实验参数并优化；

所述仿真实验参数包括：粉末颗粒和同轴送粉喷嘴材料的剪切模量、泊松比、密度，粉末颗粒与粉末颗粒之间的弹性恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数，粉末颗粒与同轴送粉喷嘴壁面之间的弹性恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数；

步骤3、利用优化后的仿真实验参数建立离散相粉末颗粒模型；

步骤4、根据同轴送粉喷嘴的结构参数，建立1∶1比例大小的同轴送粉喷嘴三维计算模型，并导入到所建立的离散相粉末颗粒模型中，得到同轴送粉喷嘴粉末颗粒运动的离散元仿真模型；