[发明专利]一种金属零件增材制造过程温度场预估方法

权利要求书

1.一种金属零件增材制造过程温度场预估方法，其特征在于：基于数值模拟和有限差分算法，建立金属零件增材制造动态温度场，具体包括以下步骤：

步骤1，初始化增材制造系统状态、确定粉床体积及网格边长、确定金属零件材料属性；

步骤2，确定金属零件三维模型并根据网格边长划分模型，确定迭代时间步长；

根据步骤1定义的网格边长将金属零件三维模型转化为三维矩阵；

根据步骤1定义的金属零件材料属性和网格边长确定迭代时间步长，具体计算迭代时间步长需满足稳态时间步长方程，完成模拟的参数准备阶段；

步骤3，开始模拟后，根据打印状态将ti时刻归类为铺粉状态或扫描状态；

步骤4，确定ti时刻对应的边界条件来进而确定边界的传热方式；

步骤5，计算ti时刻温度场；

使用有限差分法和焓方法计算ti时刻温度场；

步骤6，判断ti时刻是否为打印最后一个时刻，若是则温度场计算结束，否则进入步骤3，以此循环，直到完成所有时刻温度场计算，并进行后处理；

步骤5，使用有限差分法和焓方法计算t_i时刻温度场；

传热控制方程由下式定义：

式中：ρ、C_p、λ分别为金属零件材料的密度、比热容、导热系数；T为当前网格温度；为向量微分算子；H_f为当前网格的焓值；f_s为当前网格中固相物质的量百分比；

将上式依据有限差分法展开为三维差分形式，如下式所示：

其中：α_p(i，j，k)＝1-α_e(i，j，k)-α_w(i，j，k)-α_n(i，j，k)-α_s(i，j，k)-α_t(i，j，k)-α_b(i，j，k)；

式中：T为当前网格温度；V为单位网格体积；t为当前时刻；

焓方法处理结晶潜热三维差分方程由下式定义：

式中：H为焓；

焓的定义如下式所示：

H＝C_pT+f_lL_h

式中：L_h为金属材料结晶潜热；f_l为该单位网格中液相物质的量百分比；f_l值由下式确定：

式中：f_s为该单位网格中固相物质的量百分比；T_m为固相线温度；T_l为液相线温度；

网格新温度由其对应的焓推出，如下式所示：

式中：H_new为该单位网格新焓值；H_s为该单位网格全为固相时所对应的焓值；H_l为该单位网格全为液相时所对应的焓值；L_h为金属材料结晶潜热；

此外需对f_l进行归一化处理，使之不大于1，不小于0；

对于大于1的f_l值，令其为1；

对于小于0的f_l值，令其为0；

对于0到1的区间内的f_l值，不对其进行处理。

2.根据权利要求1所述的金属零件增材制造过程温度场预估方法，其特征在于：

增材制造系统状态包括：熔池初始温度、熔池体积、粉末材料初始温度、光束或电子束扫描速度、光束或电子束有效作用深度及功率，其中,粉末材料有预热处理，则粉末材料初始温度为预热后温度；

根据模拟精度和粉床体积定义网格边长，模拟精度越高，网格边长越小，相应的模拟耗时也越长，其对应的关系如下式所示：

式(1)中：L、W、H分别为粉床的长、宽、高；

t_sim为模拟耗时；

N表示计算机同时计算网格的温度场数量；

a表示网格的边长；

t_iter表示计算机计算一个网格温度场时所需要的时间；

l表示迭代的次数。