[发明专利]高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置

权利要求书

1.高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，将校验数据测量装置初始化，对高能束增材制造加工中的熔覆过程及热-变形-应变实时实验测量；数据记录仪采集热电偶测温数据和位移传感器的位移信号，热成像采集系统收集温度场信号，三维数字动态散斑应变测量数据采集系统收集应变场信号；

步骤2，建立高能束增材制造有限元热力耦合模型框架，输入材料属性并划分网格；然后根据经验设置初始温度场边界条件，利用所建立的模型模拟计算成形过程的温度场，将模拟结果与热电偶测温数据及热成像采集系统所测的温度场结果进行对比分析，根据模拟与实验测量结果差异调整温度场边界条件，直到模拟结果与实验测量结果匹配，完成了有限元温度场的校准；

步骤3，根据实验加工过程设置力场边界条件并将校准的温度场结果作为力场计算的初始条件，利用模型模拟计算成形过程的力场演化过程，得到基板变形及应变场结果；将模拟的基板变形及应变场结果与实验所测的基板变形和应变场结果进行对比分析，依据误差调整力场边界条件，直到模拟结果能与实验测量结果匹配，完成了有限元力场的校准；即完成了高能束增材制造有限元热力耦合模型的校准；

其中，所述的校验数据测量装置，包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；

所述的夹具系统包括依次从上向下固定设置的基板固定板(2)、上支架(3)和下支架(5)；基板固定板(2)固定在上支架(3)上端单边夹持固定基板(13)，上支架(3)和下支架(5)之间固定夹持设置与基板(13)平行设置的位移传感器固定板(8)；上支架(3)的一侧固定设置热电偶测温架(17)；

所述的数据采集系统包括通过热电偶测温架(17)设置在热电偶测温点的热电偶(9)，固定在位移传感器固定板(8)上的位移传感器(10)，与热电偶测温架(17)相对设置的三维数字动态散斑应变测量仪，以及与上支架(3)相对设置的热成像仪(11)；位移传感器(10)的测量头设置在基板下端，三维数字动态散斑应变测量仪和热成像仪(11)的采集端均对准基板(13)和加工区。

2.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，步骤1中初始化时，将热电偶和位移传感器与数据记录仪相连接，并进行调试，准备接收温度信号和变形信号；调试热成像仪数据采集系统，准备接收热成像信号；调试三维数字动态散斑应变测量仪数据采集系统，准备接收应变信号。

3.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，步骤1中，实时实验测量时，根据热电偶测温数据能够得到成形件测量位置的温度变化；数据采集仪记录位移传感器输出的电压信号，并根据位移与电压转换关系将提取的电压信号转换成位移信号得到基板的实时变形过程。

4.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，步骤1中，对成形过程中热成像仪的辐射率和能量传输率进行校准；利用热电偶所测量的测温点准确温度值对热成像仪监测的对应点温度数值进行校准，即获得热成像仪监测过程中准确的辐射率和能量传输率，然后对整个成形过程中热成像相机视场下所有测温点采用所得的准确的辐射率和能量传输率，完成热成像仪校准。

5.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，步骤2中，初始温度场边界条件包括能量吸收率、对流系数及热辐射率。

6.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，所述的热电偶测温架(17)上设置有若干插孔，插孔内设置有刚玉管；热电偶(9)的测温头穿过刚玉管且裸露于刚玉管靠近加工区的端部，热电偶(9)的热电偶丝焊接在退火态基板的不同位置处。

7.根据权利要求1所述的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，其特征在于，三维数字动态散斑应变测量仪包括呈角度设置的第一三维数字动态散斑应变测量仪镜头(4)和第二三维数字动态散斑应变测量仪镜头(6)；三维数字动态散斑应变测量仪设置在与工作台固定的应变测量仪支架(7)上，应变测量仪支架(7)的高度和角度均能够调整。