[发明专利]基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法

权利要求书

1.基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用三维绘图软件编制打印件以及打印件周围流场的几何模型，并对所述几何模型进行有限元分析，所述几何模型包括喷管内流场几何模型、喷管外流场几何模型和打印件几何模型；

(2)对步骤(1)建立的所述喷管内流场几何模型、喷管外流场几何模型和打印件几何模型赋予相对应的材料属性，材料属性包括参数为固体属性或流体属性，赋予打印件几何模型固体属性，赋予喷管内流场几何模型和喷管外流场几何模型流体属性；

(3)对步骤(2)赋予材料属性的几何模型利用四面体网格划分；

(4)建立用于求解金属增材打印过程中的温度场传热分析模块，所述传热分析模块包含几何模型的选择、以及选择几何模型的指定求解方程、设定边界条件和设定初始值；

所述求解方程为三维瞬态的固体/流体传热微分方程，用于计算几何模型中各个单元面的热通量以及各个单元节点的温度值；

所述边界条件包括热绝缘边界条件、对称边界条件和开放边界条件；

(5)建立用于模拟金属增材打印中激光加热过程的体积热源模块，所述体积热源模块具体是通过如下公式实现：

其中，Q为激光热源功率密度，η为材料对激光的吸收率，P为激光功率，R为激光光斑半径，δ为材料吸收入射激光的深度，h为打印层所处的y坐标，x,y,z为打印件材料点的坐标；

(6)建立用于求解金属增材打印过程中的流场模型的流体分析模块；所述流体分析模块包括选择几何模型、指定流体求解方程、设定流体边界条件和设定流体初始值；

所述选择几何模型包括选择喷管内流场几何模型和喷管外流场几何模型中一个；

流体求解方程为三维瞬态的弱可压缩牛顿流体流动微分方程；

流体边界条件包括无滑移边界条件、对称边界条件、开放边界条件和入口边界条件；

(7)设置求解时间并同时求解温度场与流场获取表面传热系数。

2.根据权利要求1所述的基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，其特征在于：步骤(2)中所述赋予打印件几何模型固体属性包括在不同温度条件下材料密度、材料导热系数、恒压比热容；所述赋予喷管内流场几何模型和喷管外流场几何模型流体属性包括在不同温度条件下材料密度、材料导热系数、恒压比热容和动力粘度。

3.根据权利要求1所述的基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，其特征在于：所述喷管内流场几何模型和喷管外流场几何模型的流体材料为氩气；所述打印件几何模型的固体材料为TC4合金。

4.根据权利要求3所述的基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，其特征在于：步骤(4)中所述初始值的设定包括打印件几何模型的初始温度为500K；喷管内流场几何模型和喷管外流场几何模型的初始温度为293.15K。

5.根据权利要求3所述的基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，其特征在于：步骤(4)中所述打印件几何模型的求解方程为三维瞬态的固体传热微分方程；所述喷管内流场几何模型和喷管外流场几何模型的求解方程为三维瞬态的流体传热微分方程。

6.根据权利要求1或3所述的基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，其特征在于：步骤(6)中所述流体初始值包括初始流速和压强，初始流速为0，压强为标准大气压。