[发明专利]一种基于多场耦合建模与仿真求解的3D打印预览方法

说明书

本发明公开了一种基于多场耦合建模与仿真求解的3D打印预览方法，针对结构零件的3D打印过程，利用计算机编程语言和插值算法，建立温度场、应力应变场、流场、组织场、溶质场和缺陷场的多物理耦合模型，用有限元法对模型进行求解计算，并对结果进行后处理得到不同物理场之间相互影响下的3D打印结构零件性能参数。通过将不同物理场下的3D打印结构零件性能参数与试验结果实时对比并进行判定分析，从而达到对3D打印过程进行精确预览和实时调控的目的。该发明通过对多场耦合模型的判定求解制定出更加合理的3D打印工艺参数，提高3D打印结构零件的质量，有效降低3D打印的成本并大幅提高试验效率。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种基于多场耦合建模与仿真求解的3D打印预览方法，特别涉及3D打印过程的数字化预览及调控技术。

背景技术

3D打印(也叫增材制造，Additive manufacturing，AM)技术作为一种快速成型技术，由于具有一体化成型、材料利用率高、高数字化等特点，在精密复杂零件的制造领域有着广阔前景。

利用3D打印技术成形的结构零件能否用于产品制造直接取决于零件的性能好坏。为了获得所需性能的结构零件，必须在3D打印前进行参数规划以达到最终预览的目的，在3D打印过程中进行实时调控以提高生产效率和产品质量。传统的实验法通过开展大量的实验，来达到积累数据的目的，其成本颇高、费时费力且准确性难以保证。3D打印过程是一个不可逆过程，缺少实时调控技术不仅增加时间成本也对打印容错率有很高要求。随着计算机仿真技术及相关基础理论的完善，目前已有通过对温度场、应力应变场、微观组织场等模拟来实现铸造和焊接过程预览的案例。3D打印过程是一个快速熔化又快速冷却的过程，熔池存在时间极为短暂，但是其物理过程却十分复杂，对3D打印过程的模拟，实现3D打印预览和调控，又是一个新的挑战。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在设计一种基于多场耦合建模与仿真求解的3D打印预览方法，以实现3D打印过程的多场多尺度直观预览。通过对结构零件3D打印过程开展温度场、流场、应力应变场、微观组织和缺陷场等多场耦合模拟，将3D打印技术和有限元分析进行综合应用，实现3D打印结构零件的组织、应力和性能预测，达到结构零件3D打印预览与调控的目的。

为了达到上述目的，本发明中提及的一种基于多场耦合建模与仿真求解的3D打印预览方法，其具体内容为：

(1)构建结构零件3D打印过程的多场耦合模型：建立三维几何模型和网格模型，定义材料参数，完成求解器前处理，采用计算机编程语言和有限元分析软件完成宏观温度场、应力应变场、流场、微观组织场、溶质场和缺陷场的多场耦合模型的建立；

(2)建立多场耦合模型的求解算法：宏观温度场和应力应变场采用有限元法，宏观流场采用有限体积法，其中粘性通过编写User-defined function函数实现，微观组织场、溶质场和缺陷场采用特定元胞自动机(CA)方法，插值耦合算法完成宏观物理场计算结果与微观物理场数据的转换，并运用迭代算法完成多物理场耦合模型的求解计算；

(3)获得优化的3D打印工艺参数：将多场耦合模型的计算结果与初步试验结果实时进行对比分析，根据对比结果判定多场耦合模型返回调节或继续计算，当模拟所得的3D打印结构零件性能参数与试验结果完全符合时，获得结构零件3D打印过程的宏观和微观变化，并输出3D打印工艺参数，达到对3D打印过程的精确预览与准确指导。

优选地，步骤(1)是基于部分实验结果测量分析整合所建立的贴近实际的三维几何模型，采用疏密结合的网格划分方法对几何模型进行网格划分，所述材料参数包括液相线温度、液相线斜率、溶质分配系数、液相扩散系数、固相扩散系数、Gibbs-Thomson系数、初始浓度、元胞尺寸、时间步、比热容、导热率、杨氏模量、屈服强度、密度等，将热敏材料定义成随温度变化的函数，如比热容、导热率定义成随温度变化的函数，运用模拟软件A、B、C、D和编程软件E建立3D打印结构零件的多场耦合模型。