[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

说明书

本发明公开了一种简化的电弧增材成形形貌及热场‑流场的预测方法，将熔滴以周期性下落的方式引入，具体为：步骤1，建立增材两相流计算域几何模型，定义边界、熔滴初始状态；步骤2，建立首层熔覆尺寸提取模型，确定熔滴逐层抬升高度；步骤3，基于熔覆工艺参数确定熔滴下落初始尺寸；步骤4，确定熔滴周期下落速度；步骤5，建立热流耦合数学模型，构造标准输运方程求解；步骤6，确定形成下一层熔覆层的熔滴的抬升高度，并转步骤3。本发明对电弧增材成形精度控制及内在物理机制理解具有重要指导意义。

技术领域

本发明属于电弧增材制造过程数值模拟技术领域。

背景技术

金属增材制造技术以丝材或粉末为熔覆材料，创新性地基于CAD模型直接形成形状各异的构件，具有响应时间短、材料利用率高、生产成本低等优势，在高效制造、资源节约、个性化定制的发展环境下脱颖而出，并且在航空、船舶、医疗等领域得到了应用。

电弧增材制造核心控制要素包括成形精度和成形性能。成形精度及成形性能均与熔池热历程及流体流动特性密切相关，熔池热历程及流体流动共同决定着熔宽、熔深、余高大小以及金属凝固后的缺陷、组织取向分布。传统的试验手段对成形精度控制研究是基于一定的经验模型或者人工神经元网络建立起工艺参数与熔覆层形貌尺寸参数之间的关系，实现熔覆层尺寸大小地预测，但在一定程度上忽略了成形尺寸对热历程及支撑面状态地依赖，难以揭示电弧增材制造过程复杂的成形物理机理。

数值模拟技术是继试验、理论之后的又一科学研究方法。采用数值模拟技术对电弧增材制造过程进行数值模拟，不仅可以预测熔覆层形貌尺寸，还可以再现复杂的传热传质过程，对于成形件地精度控制、微观组织演变调控以及内在物理机制研究具有重要意义。由于电弧增材制造过程的高度非线性，直接将电弧-熔滴-熔池三个物理过程相耦合，计算量将很大，使得建模求解过程极为缓慢，因此在目前国内智能制造、快速制造、绿色制造的工业大背景下，开发合理简化及高效的计算模型对于推动数值模拟技术在增材制造领域应用具有一定迫切性。

发明内容

发明目的：为解决现有技术忽略了热历程及支撑面状态对成形尺寸的影响、计算量大等问题，本发明提供了一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法。

技术方案：本发明提供了一种简化的电弧增材成形形貌及热场-流场的预测方法，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。