[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

说明书

本发明公开了基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，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进行有限元分析；（2）对几何模型赋予对应的材料属性；（3）对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；（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；（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；（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。本发明获取的打印件表面传热系数，为关于增材制造的数值模拟（如热流模拟、热力模拟）提供准确的边界条件，从而使其数值模拟结果准确。

技术领域

本发明涉及金属增材打印技术领域，具体涉及一种基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法。

背景技术

金属激光增材制造技术是一种新兴的加工制造技术，相比较于传统的减材技术，它具有以下特点：（1）可加工制造复杂内腔结构；（2）可加工细长薄壁结构；（3）可对受损零部件进行修复。而在进行实际生产制造中，由于加工环境的多变性，打印件具有空隙、裂纹、熔化不良等缺陷，因此需要从计算机模拟角度出发，探究影响加工件质量的因素。

在进行金属增材制造模拟时，无论是进行热流耦合，还是进行热力耦合，都需要准确的温度场信息（温度、传热系数），因此，对于温度场的模拟是一个特别重要的环节。

在对温度场模拟时，输入的数据包括材料的热导率、比热容、密度、激光热源参数、表面传热系数、材料的辐射系数；而其中的表面传热系数，由于难以直接通过试验来获取，通常都是采用经验值代替，因此存在较大的误差。

鉴于此，申请本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，通过该方法可模拟出金属增材打印过程中打印件表面传热系数，便于金属增材制造模拟。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法，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，其中，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；