[发明专利]一种基于ANSYS的电子束增材制造多道扫描仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于ANSYS的电子束增材制造多道扫描仿真方法，通过结合ANSYS经典版以及WORKBENCH模块，模拟电子束增材制造多道扫描过程，通过扫描路径给出分段函数，分段依据为每次扫描方向的改变，变量为扫描时间，通过ANSYS函数编辑器，将设置好的分段函数导入编辑器，并导出命令流，从而实现了热源的循环往复运动，通过该模拟过程，可分析不同扫描参数下的温度场及应力场变化，以及每一扫描道次之间的耦合，为实际打印提供理论支撑。

技术领域

本发明属于增材制造计算机数值模拟技术领域，具体涉及一种基于ANSYS的电子束增材制造多道扫描仿真方法。

背景技术

电子束增材制造由于其成型精度高、成型件性能优良等优点被誉为最有前途的增材制造技术之一。电子束增材制造的主要特点是能够成型极其复杂的零件，如具有内部流动通道的模具和航空航天领域的各种轻质结构件，然而电子束增材制造过程涉及多种物理现象，这种现象使得熔体流动行为剧烈且难以控制，并容易产生缺陷，例如多孔性和微裂纹，孔隙对机械性能如拉伸和疲劳强度有最不利的影响。电子束增材制造过程受众多工艺参数的影响，如电流、扫描速率、光斑直径、扫描间距等，工作人员主要通过大量反复实验确定工艺参数，使得成本较高。

为了深入理解电子束增材制造过程，提高零件的性能，数值模拟技术得到了快速发展，众多的仿真软件被开发出来用于数值模拟，如Flow-3D、Fluent、OpenFOAM等用于实现流场模拟，ABAQUS、ANSYS等用于实现温度场应力场模拟。电子束增材过程是通过电子束对粉末多次往返扫描从而实现由固体-液体-固体的转变，因此在模拟过程中实现电子束的往返式移动具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于ANSYS的电子束增材制造多道扫描仿真方法，用于实现模拟过程热源的往复连续移动。

本发明所采用的技术方案是，一种基于ANSYS的电子束增材制造多道扫描仿真方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，建立仿真模型，通过三维建模软件建立模拟所需的三维模型，模型包括基底层和粉末层；

步骤2，新建增材制造数值模拟任务，在WORKBENCH中有增材制造过程的热-力耦合模块创建新的模拟任务；

步骤3，添加材料，在WORKBENCH中添加电子束增材制造模拟所需要的材料，包括基底材料和粉末层材料；

步骤4，导入模型，在热分析的流程图中，打开模型选项，导入步骤1建立好的三维模型；

步骤5，基于步骤3添加的材料，分别赋予粉末层和基底层相应的材料；

步骤6，划分网格；

步骤7，添加传热，设置粉末与基底之间的对流传热；

步骤8，添加生死单元，采用生死单元技术实现固体粉末-流体-固体的转换，添加生死单元并赋予给每个单元体，并设置单元的生死；

步骤9，设置步数，根据生死单元尺寸和扫描速度设置电子束扫过每一个生死单元的时间，每一个生死单元相当于一个步数；

步骤10，添加热源，基于有限元软件模拟电子束增材制造过程，其热源类型选择为高斯热源；

步骤11，计算求解，选择温度进行求解。

本发明的特点还在于：

其中步骤1中创建的粉末层以六面体单元堆积，后续进行网格划分，且为了保证网格划分连续，基底层和粉末层为一个整体；

其中步骤6中划分的网格使用带有体素化选项的笛卡尔网格，且基底层网格比粉末层网格大；

其中步骤10中高斯热源分为：高斯面热源、高斯体热源，该模拟为单层多道，因此采用高斯面热源：