[发明专利]基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法

说明书

本发明提出了一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，用以解决现有电子束同轴熔丝增材制造工艺周期长、效率低，成本大的问题。本发明的具体步骤为：步骤一：利用ANSYS仿真软件建立有限元模型；步骤二：定量模拟分析热源的形状参数对计算结果的影响，确定热源合适的形状参数值；步骤三：多节点/多任务集成计算模拟，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响。本发明能够量化加工参数对熔池温度和形貌的影响，可以反映熔池温度和形貌变化规律，减少工业生产中大量的实验测量，从而有效降低生产中实验调控的研发成本，且仿真模拟能够获得较高精度，便于实际实验对比分析以及提升成型件质量。

技术领域

本发明涉及电子束同轴熔丝增材制造工艺的技术领域，具体涉及电子束快速成形、增材制造、ANSYS参数化仿真以及高通量集成计算分析，属于增材制造、参数化仿真和高通量计算的交叉领域，尤其涉及一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法。

背景技术

电子束同轴熔丝增材制造成形技术(Electron beam coaxial fuse additivemanufacturing，简称EBF)是将“材料制备/精确成形”有机融为一体的高端装备与智能制造技术，利用真空环境下的高能电子束流作为热源，直接作用于工件表面，在前一层增材或基材上形成熔池；送丝系统将丝材送入，丝材受电子束加热融化，形成熔滴，随着工作台的移动，使熔滴沿着一定的路径逐滴沉积进入熔池，熔滴之间紧密相连，从而形成新一层的增材，层层堆积，直至零件完全按照设计的形状成形。

EBF加工过程一般是在真空环境下进行的，工作时产生的热量只有通过与之相接触的工作台传导，因此整个加工过程散热较为缓慢，并且随着材料堆积层数的增加，工作台的散热效果越来越差，导致热量积累严重，容易导致沉积体组织上下不均匀或增材层熔池侧漏。而通过调控加工过程中的工艺参数可以极大地避免这些现象产生，因此优化EBF加工工艺首先需要量化工艺参数对熔池温度以及形貌的影响。

由于EBF加工条件的特殊性，熔池的温度、形貌和流动等属性不易被检测。目前在工业生产中多采用传统的经验和试错方法进行工艺研究，这种方法需要以大量的实验作基础，不仅周期长、效率低，而且成本消耗巨大，不利于生产盈利。因此，如何高效获取EBF加工过程中熔池的温度和形貌参数，成为本领域技术人员急需解决的问题。

20世纪以来，随着计算机行业的迅速发展，数值模拟与高通量集成计算技术应运而生。模拟仿真技术可以弥补实验过程中难以预测的物化过程，通过高通量集成计算，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响，为实际生产提供更多的指导，帮助研究人员和工程师们更好的预测加工零件的质量和性能。

发明内容

针对现有电子束同轴熔丝增材制造工艺周期长、效率低，成本大的技术问题，本发明提出一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，建立温度场有限元模型并量化加工参数对熔池温度及形貌的影响，减少工业生产中大量的实验测量，从而有效降低生产中实验调控的研发成本，相较与其他工艺理论具有更加突出的优势。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于高端装备与智能制造的高通量集成计算分析模拟方法，其步骤如下：

步骤一：利用ANSYS仿真软件建立有限元模型，进行加工模拟计算；

步骤二：利用有限元模型定量模拟分析热源的形状参数对计算结果的影响，确定合适的形状参数值；

步骤三：利用步骤二得到的形状参数值多节点/多任务集成计算模拟，量化加工参数对熔池温度及形貌的影响。

所述步骤一中的有限元模型为熔池瞬态传热的目标工件的有限元模型，有限元模型的网格划分时采用大小不等的渐变式网格分布：在温度梯度变化大的加工和热影响区采用较为密集的网格，在温度梯度变化相对较小的区域采用稀疏的网格。