[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

说明书

本发明展示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，其装置，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；其校验方法，如下，1，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；2，建立模型框架，输入材料属性并划分网格；完成了有限元温度场的校准；3，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，得到基板变形及应变场结果；完成有限元力场的校准；即完成了高能束增材制造有限元热力耦合模型的校准。本发明既能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，有能为建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法提供科学指导，促进增材制造技术获得更广泛的应用。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体为一种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。

背景技术

高能束增材制造技术是基于快速原型制造技术原理发展起来的高性能金属增材制造技术，可以分为预铺粉和同步送粉或送丝两种，高能束一般包括等离子束、电子束、激光束和电弧等。对于高能束增材制造同步送粉或送丝技术，成形件均在预制基板上熔覆成形。在熔覆过程中，熔池附近区域经受不均匀的急冷急热作用，熔池凝固收缩，变化的温度场和巨大的温度梯度引起的温度应力，组织转变引起的组织应力，成形件与基板变形不协调引起的阻碍应力，其综合作用导致基板与成形件变形失真，严重影响成形件的精度，降低成形件的力学性能。基板和成形件的变形是高能束增材制造中不可避免的问题之一，该问题也是高能束增材制造技术研究中普遍关注和致力解决的关键问题。因此探明增材制造过程中基板和成形件的热-变形-应变演变规律，明确变形机制及应力分布情况并进行有效控制，对提高成形件的精度及力学性能具有重要意义。

目前对高能束增材制造过程还没有一套完整的热-变形-应变原位实时测量装置，现有的高能束增材制造原位测量技术主要是对基板进行温度及变形的测量，少有对成形件的温度和应变进行原位实时测量。目前大部分学者采用表面轮廓测量仪、激光三维扫描仪等手段获得增材制造加工结束后基板的最终变形，此方法只能对加工结束后的基板进行变形测量，而不能揭示增材制造过程中加工零件的实时变形规律。有学者采用位移传感器对基板变形进行实时测量，但也只能测量基板的变形情况。目前的原位测量方法都比较单一并且有很大的局限性，不能全场监测热力场的演变过程，无法为增材制造有限元热力耦合模型提供全套的实验验证数据。

总的来说，随着高能束增材制造的发展，成形件在成形过程中的变形甚至开裂问题一直未得到有效的解决，这严重影响了成形过程的进行和成形件的质量。如果能对高能束增材制造过程基板和成形件的温度场、变形、应变场和应力场演化行为进行实时精确测量，不仅能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，从而建立准确的热力耦合模型，以便进行大尺寸复杂结构件的热力场分析，而且能了解成形过程成形件的变形甚至开裂机制，为建立有效控制变形及应力的工艺方法提供科学指导，进而采取有效的控制措施进行改善甚至消除。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种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，装置结构简单，方法灵活准确，能够实时同步监测，不仅能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，而且能为建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法提供科学指导，促进增材制造技术获得更广泛的应用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

高能束增材制造有限元热力耦合模型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、上支架和下支架；基板固定板固定在上支架上端单边夹持固定基板，上支架和下支架之间固定夹持设置与基板平行设置的位移传感器固定板；上支架的一侧固定设置热电偶测温架；