[发明专利]一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法

权利要求书

1.一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：建立增材两相流计算域几何模型，并定义计算域边界条件和熔滴的初始状态；所述熔滴的初始状态包括预设的初始温度T_d0、初始形状、下落速度v_d以及下落高度；

步骤2：建立圆柱坐标系，并基于该圆柱坐标系建立首层熔覆层形貌尺寸提取模型；预设形成首层熔覆层的每个熔滴的下落高度，且该每个熔滴的下落高度相同；根据首层熔覆层形貌尺寸提取模型，确定熔滴的逐层抬升高度Δh；

步骤3：令形成当前熔覆层的每滴熔滴的初始形状均为球状，基于熔覆工艺参数确定球状熔滴的下落初始半径r_d；

步骤4：简化电弧对熔滴的作用，只考虑重力和等离子流力对熔滴的影响，从而确定每滴熔滴的下落速度v_d；

步骤5：构建电弧增材热-流耦合控制方程组，该方程组包括：动量方程、连续性方程和能量方程；基于步骤1建立的边界条件求解动量方程、连续性方程和能量方程，从而得到初始半径为r_d、初始温度为T_d0和下落速度为v_d的熔滴从相应的下落高度下落后形成的熔覆层的形貌、温度场和流场信息；

步骤6：根据当前层的熔滴的下落高度与Δh，确定形成下一层熔覆层的熔滴的下落高度；当当前熔覆层冷却至预设的温度后转步骤3，继续形成下一层熔覆层，并计算下一层熔覆层的形貌、温度场和流场信息，直到计算完所有的熔覆层。

2.根据权利要求1所述的一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，所述步骤1中的计算域几何模型包括金属计算域和空气计算域，其中金属计算域为初始的金属基板，空气计算域的长和宽与初始金属基板的长和宽相同，高度根据熔覆层的层数预设，所述空气计算域中包括熔覆层和熔滴；

所述边界条件包括：内部界面、压力出口边界和壁面边界；所述内部界面为空气计算域与金属计算域的交界面，所述压力出口边界为空气计算域中除交界面以外的其他表面，所述壁面边界为金属计算域中除交界面以外的其他表面。

3.根据权利要求2所述的一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：采用流体体积分数法追踪熔覆层自由界面，从而构造首层熔覆层形貌尺寸提取模型：

其中，F为熔覆层的金属体积分数，t为时间，u为径向速度，r为径向位移，v为轴向速度，z为轴向位移，F为1时表示金属，F为0时表示空气，在0和1之间表示金属与空气混合态；在熔滴形成时，将空气计算域中与熔滴球心距离小于r_d的区域的金属体积分数赋值为1；

通过统计熔覆层截面金属体积分数为1的单元数，确定熔覆层横截面面积S_a及熔覆层宽度W_a，基于单位时间内熔覆金属量相等原则，由第一层横截面面积及第一层熔覆层宽度得到每层熔覆结束后熔滴的抬升高度Δh为：

4.根据权利要求1所述的一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，其特征在于，所述步骤3具体为，根据质量守恒定律得到球状熔滴初始半径为：

其中，V_w为送丝速度，r_w为焊丝半径，f_d为熔滴周期性过渡频率。