激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法
【技術領域】
[0001] 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 形工藝的技術領域。
【背景技術】
[0002] 激光增材制造是近年來發(fā)展迅速的一種快速成形方法，它可以直接用金屬粉末來 成形高致密度的三維零件，并且很少需要后續(xù)熱處理強化或者金屬二次熔浸等輔助工藝手 段。然而，由于激光增材制造技術采用的熱源是激光，成形件的最終質量與激光和粉末的耦 合效應密切相關。一直以來，圍繞激光和粉層的作用機理和過程控制的研究并不多見，雖然 許多關于熔池的模擬也取得了一定的研究成果，但以往的研究大多集中在溫度場和應力場 的模擬，是通過改變加工參數(shù)來觀察溫度場和應力場的變化，從而分析預測不同加工參數(shù) 對成形件最終質量的影響，并且建立的模型都是宏觀層面的，將粉層視為連續(xù)均勻的介質， 即相當于把粉末層視為塊體，并未考慮粉末顆粒堆垛的特殊結構所帶來的影響。而現(xiàn)實中， 由于粉末顆粒之間存在大量的孔隙，因而粉體對激光的吸收不同于塊體，空隙對激光的吸 收類似于黑體，激光經(jīng)過穿透和反射可以進入粉層更深處，這就大大提高了材料對激光的 吸收率，并且，粉末顆粒的外表面多為球體或者其他不規(guī)則多面體，大大增加了表面積，也 提高了粉層表面的受光面積，這也與塊體材料所不同。所以從顆粒尺度模擬粉層的凝固熔 化、傳熱傳質過程是有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述【背景技術】的不足，提供了激光束與粉末顆 粒光固耦合過程的介觀模擬方法，考慮到粉末顆粒堆垛結構對激光吸收率的影響，在介觀 尺度下模擬粉末顆粒與激光耦合的過程，對耦合過程的溫度進行數(shù)值模擬以記錄粉末顆粒 熔化過程，無需改變加工參數(shù)后觀察溫度場和的變化，解決了現(xiàn)有技術在宏觀層面建立熔 池模型且未考慮粉末顆粒堆垛結構對光固耦合過程的影響的技術問題。
[0004] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術方案：
[0005] 激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，包括如下步驟：
[0006] A、在介觀尺度下建立粉床的三維隨機分布顆粒堆積模型，所述三維隨機分布顆粒 堆積模型通過向介觀尺度下粉床部分及其上方空氣區(qū)域組成的計算區(qū)域內(nèi)隨機填充粉末 顆粒形成；
[0007] B、構建所述三維隨機分布顆粒堆積模型的控制方程；
[0008] C、采用多相流算法在控制方程約束下解算所述三維隨機分布顆粒堆積模型以獲 取熔化流動過程。
[0009] 進一步的，所述激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法中，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分布顆粒堆積模型：
[0010] 首先，對計算區(qū)域內(nèi)單一粉末顆粒即將填充的區(qū)域進行局部網(wǎng)格細分，上方空氣 區(qū)域保持粗網(wǎng)格狀態(tài)；
[0011] 接著，初始化計算區(qū)域得到介觀尺度下單一粉末粉床的隨機分布顆粒堆積模型。
[0012] 進一步的，所述激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法中，步驟A采用 如下方法在介觀尺度下建立復合粉末粉床的隨機分布顆粒堆積模型：
[0013] 首先，對計算區(qū)域內(nèi)粉末即將填充的區(qū)域進行局部網(wǎng)格細分，上方空氣區(qū)域保持 粗網(wǎng)格狀態(tài)；
[0014] 接著，初始化計算區(qū)域得到介觀尺度下單一合金材料粉末顆粒的隨機分布模型；
[0015] 然后，在單一合金材料粉末顆粒的間隙中隨機填充增強相粉末顆粒得到復合粉末 粉床的隨機分布顆粒堆積模型。
[0016] 再進一步的。所述激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法，步驟B中構 建的隨機分布顆粒堆積模型的控制方程包括：
[0017] 質量守恒方程：
[0026] 其中，P、p、T分別為密度、壓強、溫度，u、v、w分別為x、y、z方向上的流體運動速 度，k為導熱率，μ為液體粘度，t為時間，▽為哈密頓算子，Sh為能量守恒方程上的源項，Sx、 Sy、Sz*別為動量守恒方程中X、y、z方向上的源項。
[0027]更進一步的，所述激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法中，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量、能量、動 量守恒方程進行迭代求解直至控制方程收斂。
[0028] 本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下有益效果：
[0029] (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，從介觀尺度采用離散元法生成三維空間顆粒隨機分布的堆垛模 型，建立的隨機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；
[0030] (2)構建隨機分布堆垛模型的控制方程并建立多相流計算模型，由采用求解壓力 耦合的質量、能量、動量傳遞方程進行迭代求解光固耦合過程中的溫度；
[0031] (3)通過對光固耦合溫度的數(shù)值模擬得到粉塵顆粒熔化記錄，觀察到不同時刻由 顆粒熔化坍塌流動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頸形成圖，并可根據(jù)模擬結果初步預測出燒結成形件的致密度和 孔隙有可能出現(xiàn)的位置。
[0032] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0033] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0034] 圖1為介觀尺度的粉床模型原理圖；
[0035] 圖2為純AlSilOMg顆粒模型網(wǎng)格劃分圖；
[0036] 圖3為AlSilOMg+TiC增強相復合材料模型網(wǎng)格劃分圖；
[0037] 圖4為AlSilOMg顆粒與激光耦合過程溫度分布云圖；
[0038] 圖5為AlSi10Mg顆粒受激光輻射熔化過程動態(tài)演變截面圖；
[0039] 圖6(a)、圖6 (b)為顆粒在激光輻射下燒結頸形成的過程演變圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性 的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0041] 本領域的技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語（包括技術術 語和科學術語）具有本發(fā)明所屬技術領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應 該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的 意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0042] 本發(fā)明涉及的激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法以下三大步：首 先，在介觀尺度下建