立粉床的三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型；接著，構(gòu)建三維隨機(jī)分布顆粒堆 積模型的控制方程；然后，采用多相流算法在控制方程約束下解算所述三維隨機(jī)分布顆粒 堆積模型以獲取熔化流動(dòng)過程。
[0043] (1)在介觀尺度下建立粉床的三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型
[0044] 在CAD軟件中首先建立球體顆粒的隨機(jī)分布堆積模型，AlSilOMg顆粒的直徑為 30um，增強(qiáng)相顆粒TiC的直徑為5um。建立如圖1所示粉床的尺寸為：120um*90um*60um，在 CAD中的模型建立兩個(gè)，第一個(gè)由純的AlSilOMg顆粒堆積而成。第二個(gè)的尺寸與模型I大 小相同，在模型I的AlSilOMg顆粒的空隙中隨機(jī)添加了TiC顆粒。網(wǎng)格劃分時(shí)，首先對(duì)整個(gè) 長方體計(jì)算區(qū)域統(tǒng)一進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將粉末顆粒存在的位置進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，這樣 可以在保證計(jì)算精確的同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間，然后利用UDF編寫顆粒隨機(jī)分布代碼，利用這 個(gè)用戶自定義的初始化函數(shù)對(duì)該空間初始化，得到計(jì)算空間中的隨機(jī)堆垛的顆粒模型。對(duì) 于僅含有AlSilOMg顆粒模型的網(wǎng)絡(luò)劃分圖如圖2所示，對(duì)于AlSilOMg+TiC增強(qiáng)相復(fù)合材 料模型的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。
[0045] (2)針對(duì)所建立的模型建立控制方程
[0046]CFD模擬中控制方程一般由質(zhì)量守丨旦、能量守丨旦、動(dòng)量守丨旦和連續(xù)性方程構(gòu)成。本 專利中采用的模型是隨機(jī)分布的顆粒堆積模型，不是塊體材料，不符合連續(xù)性方程要求，所 以控制方程只米用質(zhì)量守丨旦、能量守丨旦、動(dòng)量守丨旦。分別為：質(zhì)量守丨旦方程：
[0054] 式中，P、p、T分別為密度、壓強(qiáng)、溫度，u、v、w分別為x、y、z方向上的流體運(yùn)動(dòng)速 度，k為導(dǎo)熱率，μ為液體粘度，t為時(shí)間，Ψ為哈密頓算子，Sh為能量守恒方程上的源項(xiàng)，Sx、 Sy、Sz*別為動(dòng)量守恒方程中X、y、z方向上的源項(xiàng)。
[0055] (3)將建立好的模型導(dǎo)入CFD計(jì)算流體力學(xué)軟件中進(jìn)行流體計(jì)算
[0056] 本專利的模擬計(jì)算采用V0F多相流計(jì)算模型。在計(jì)算軟件中設(shè)置好模型的邊界 條件，熱源加載方式選擇體熱源，采用層流模型進(jìn)行計(jì)算，采用求解壓力耦合的質(zhì)量、能量、 動(dòng)量傳遞方程進(jìn)行迭代求解直至結(jié)果收斂。觀察分析介觀顆粒與激光耦合的演變過程，得 到如圖4所示的粉床顆粒宏觀溫度分布云圖和如圖5所示的熔化過程的演變圖，以及如圖 6(a)、圖6(b)所示的單個(gè)顆粒在激光輻射下，由于表面張力的作用而與相鄰顆粒連接形成 燒結(jié)頸的具體過程。
[0057] 綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0058] (1)考慮了粉層中不同材料顆粒的大小，顆粒間隙中氣相的存在等因素，不再將 粉塵視為連續(xù)性均勻介質(zhì)，從介觀尺度采用離散元法生成三維空間顆粒隨機(jī)分布的堆垛模 型，建立的隨機(jī)分布堆垛模型更加接近粉末顆粒的物理模型，為模擬激光束與粉末顆粒光 固耦合提供了基礎(chǔ)；
[0059] (2)構(gòu)建隨機(jī)分布堆垛模型的控制方程并建立多相流計(jì)算模型，由采用求解壓力 耦合的質(zhì)量、能量、動(dòng)量傳遞方程進(jìn)行迭代求解光固耦合過程中的溫度；
[0060] (3)通過對(duì)光固耦合溫度的數(shù)值模擬得到粉塵顆粒熔化記錄，觀察到不同時(shí)刻由 顆粒熔化坍塌流動(dòng)形成三維熔池的具體過程，獲得了沿著某一橫截面和縱截面的溫度分布 圖、速度矢量圖以及燒結(jié)頸形成圖，并可根據(jù)模擬結(jié)果初步預(yù)測(cè)出燒結(jié)成形件的致密度和 孔隙有可能出現(xiàn)的位置。
[0061] 通過以上的實(shí)施方式的描述可知，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可 借助軟件加必需的通用硬件平臺(tái)的方式來實(shí)現(xiàn)?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)質(zhì) 上或者說對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品 可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中，如R0M/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備 (可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）執(zhí)行本發(fā)明的實(shí)施例或?qū)嵤├哪承┎糠?所述的方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，其特征在于，包括如下步驟： A、 在介觀尺度下建立粉床的三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型，所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積 模型通過向介觀尺度下粉床部分及其上方空氣區(qū)域組成的計(jì)算區(qū)域內(nèi)隨機(jī)填充粉末顆粒 形成； B、 構(gòu)建所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型的控制方程； C、 采用多相流算法在控制方程約束下解算所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型以獲取熔 化流動(dòng)過程。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，其特征 在于，步驟A采用如下方法在介觀尺度下建立僅含有單一粉末粉床的隨機(jī)分布顆粒堆積模 型： 首先，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)單一粉末顆粒即將填充的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)分，上方空氣區(qū)域 保持粗網(wǎng)格狀態(tài)； 接著，初始化計(jì)算區(qū)域得到介觀尺度下單一粉末粉床的隨機(jī)分布顆粒堆積模型。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，其特征在 于，步驟A采用如下方法在介觀尺度下建立復(fù)合粉末粉床的隨機(jī)分布顆粒堆積模型： 首先，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)粉末即將填充的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)分，上方空氣區(qū)域保持粗網(wǎng) 格狀態(tài)； 接著，初始化計(jì)算區(qū)域得到介觀尺度下單一合金材料粉末顆粒的隨機(jī)分布模型； 然后，在單一合金材料粉末顆粒的間隙中隨機(jī)填充增強(qiáng)相粉末顆粒得到復(fù)合粉末粉床 的隨機(jī)分布顆粒堆積模型。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，其特 征在于，步驟B中構(gòu)建的隨機(jī)分布顆粒堆積模型的控制方程包括：質(zhì)量守恒方程：其中，P、p、T分別為密度、壓強(qiáng)、溫度，u、v、w分別為X、y、z方向上的流體運(yùn)動(dòng)速度， k為導(dǎo)熱率，μ為液體粘度，t為時(shí)間，▽為哈密頓算子，h為能量守恒方程上的源項(xiàng)，Sx、Sy、Sz*別為動(dòng)量守恒方程中x、y、z方向上的源項(xiàng)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，其特征在 于，步驟C的具體方法為：確定模型邊界條件以及熱源加載方式后，采用求解壓力耦合的質(zhì) 量、能量、動(dòng)量守恒方程進(jìn)行迭代求解直至控制方程收斂。
【專利摘要】本發(fā)明公開了激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，屬于激光金屬成形工藝的技術(shù)領(lǐng)域。所述方法，在介觀尺度下建立粉床的三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型；構(gòu)建所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型的控制方程；采用多相流算法在控制方程約束下解算所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型以獲取熔化流動(dòng)過程。本發(fā)明考慮到粉末顆粒堆垛結(jié)構(gòu)對(duì)激光吸收率的影響，在介觀尺度下模擬粉末顆粒與激光耦合的過程，對(duì)耦合過程的溫度進(jìn)行數(shù)值模擬以記錄粉末顆粒熔化過程，無需改變加工參數(shù)后觀察溫度場(chǎng)和的變化，避免了在宏觀層面建立熔池模型且未考慮粉末顆粒堆垛結(jié)構(gòu)對(duì)光固耦合過程的影響。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105389435
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510770128
【發(fā)明人】顧冬冬, 余冠群, 戴冬華, 石齊民
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年3月9日
【申請(qǐng)日】2015年11月12日