[发明专利]一种增减材复合制造零件变形的预测及控制方法与设备

说明书

一种增减材复合制造零件变形的预测及控制方法与设备，对目标零件模型进行特征识别、特征分解并确定打印参数；对模型进行等效加载的有限元热力耦合分析；根据仿真结果进行模型反变形优化设计；通过迭代的方式确定优化后的最终零件结构模型。本发明将现在普遍采用的逐个单元激活结合高斯移动热源的方法，通过能量等效的方式转化为逐层生死单元激活的表面热流加载。仿真过程使用生死单元进行仿真，先将所有单元“杀死”，即将刚度变为0，后续通过激活其刚度使其变为“生”的状态。相比于当前其他生死单元模拟仿真增材制造的方法，本发明可以简化计算过程，加快计算速度，从而能实现对较大零件的整体仿真，快速得到整体的温度场‑应力场‑位移场。

技术领域

本发明属于高精度机械制造领域，具体涉及一种增减材复合制造零件变形的预测及控制方法与设备。

背景技术

在使用送粉式激光熔覆技术进行金属的增减材复合制造时，由于需要引入激光来对零件进行制造，零件受热会产生热应力进而引起热变形。针对应用于航天航空等领域精度要求较高、尺寸要求较大的零件必须预测和控制其零件变形，这样可以降低废品率，从而节约生产成本、缩短研发周期。

由于通过实验的方法需要消耗大量时间和资金，且只有在增材制造完成后才能得到变形结果，无法做到提前预测，如果制造完成的零件变形过大而影响使用，将造成材料的极大浪费，所以目前预测变形情况大多为采用软件仿真的方法来实现，研究人员使用有限元仿真软件来进行零件温度场和应力场的计算从而预测激光造成的热变形。由于计算机性能的限制，对于激光造成的热变形仿真多是采用打印多道或数层金属来预测不同工艺参数对试样的影响，仿真采用热力耦合或顺序耦合的方法，运用移动热源、生死单元法来模拟实际增材制造的过程，其本质都是模拟激光热源按一定路径移动扫描对零件加工过程的影响，这样做的优点是计算的准确性较高，缺点是只能仿真结构较小的零件，对尺寸较大零件而言这种方法计算量庞大、运算时间长且结果不一定收敛。

若能在实际加工前较为准确且快速的预测出较大零件在增材后的变形情况，将能提前对零件模型进行反变形模型修正，减小加工热变形量进而减小后处理减材的加工余量，这将大大缩短产品研发周期、节省材料、更好的实现加工过程中的近净成形。如何通过有限元计算软件进行快速准确的计算以得到零件的温度场-应力场-位移场就成为了亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中采用软件仿真预测零件变形时仿真零件不能太大、计算时间长以及计算量大等问题，提供一种增减材复合制造零件变形的预测及控制方法与设备，能够快速准确的得到整体的温度场-应力场-位移场，进而快速的进行反变形模型修正。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种增减材复合制造零件变形的预测及控制方法，包括以下步骤：

-对目标零件模型进行特征识别、特征分解并确定打印参数；

-对模型进行等效加载的有限元热力耦合分析；

对零件模型进行有限元分析，赋予模型相关材料属性；

导入环境温度、绝对零度和玻尔兹曼常数，将模型固定于底面基板上；

将模型按逐层扫描的方式进行网格划分，采用等效的方法进行热源加载；

采用生死单元法模拟逐层仿真，将这一层的所有单元同时进行激活，每熔覆一层为一个加热步，层间冷却时无需加入热源，将其作为一个冷却步；对模型已激活单元部分设置对流换热和辐射换热条件；整个过程使用温度-位移耦合单元进行分析求解；

在单个特征进行有限元分析时，在上一层熔覆层的基础上进行下一层熔覆层的仿真分析，各个特征之间进行有限元分析时，在已仿真完成的特征部分的基础上进行后一个特征的分层仿真，得到最终累积的温度-应力-位移场，预测整体零件的变形情况；

-根据仿真结果进行模型反变形优化设计；