[发明专利]一种增减材复合制造零件变形的预测及控制方法与设备

权利要求书

1.一种增减材复合制造零件变形的预测及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

-对目标零件模型进行特征识别、特征分解并确定打印参数；

-对模型进行等效加载的有限元热力耦合分析；

对零件模型进行有限元分析，赋予模型相关材料属性；

导入环境温度、绝对零度和玻尔兹曼常数，将模型固定于底面基板上；

将模型按逐层扫描的方式进行网格划分，采用等效的方法进行热源加载；

采用生死单元法模拟逐层仿真，将这一层的所有单元同时进行激活，每熔覆一层为一个加热步，层间冷却时无需加入热源，将其作为一个冷却步；对模型已激活单元部分设置对流换热和辐射换热条件；整个过程使用温度-位移耦合单元进行分析求解；

在单个特征进行有限元分析时，在上一层熔覆层的基础上进行下一层熔覆层的仿真分析，各个特征之间进行有限元分析时，在已仿真完成的特征部分的基础上进行后一个特征的分层仿真，得到最终累积的温度-应力-位移场，预测整体零件的变形情况；

-根据仿真结果进行模型反变形优化设计；

-通过迭代的方式确定优化后的最终零件结构模型。

2.根据权利要求1所述增减材复合制造零件变形的预测及控制方法，其特征在于：通过对目标零件模型进行特征识别，提取目标零件模型的主要特征并进行特征分解，按照从主体到从属的特征分解顺序得到打印顺序，根据不同材料对应的工艺参数得到各个特征总层数以及每层打印时间；所述的工艺参数包括搭接率、扫描路径、层高。

3.根据权利要求1所述增减材复合制造零件变形的预测及控制方法，其特征在于：所述的模型相关材料属性包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、屈服应力、塑性应变、热导率以及比热。

4.根据权利要求1所述增减材复合制造零件变形的预测及控制方法，其特征在于：

所述等效的方法具体包括：

激光器发射连续激光，激光功率为P，计算得出激光在时间t内输出的能量为E₀＝Pt，激光入射到材料表面后，根据能量守恒定律，激光能量变化为：

E₀＝E_R+E_a

式中，E₀,E_R,E_a分别为入射到材料表面的能量、材料表面反射的能量、材料内部吸收的能量，单位均为J；k为吸收率，E_a≈kE₀，得到时间t内零件所吸收的能量∑_a，根据实际模型的扫描路径得出扫描一层路径总长度为s，加工一层的层高为h，激光扫描速度为v，得出打印一层所需的时间得到扫描一层所吸收的等效能量

采用生死单元法模拟逐层仿真时，选中层高h的所有单元，在这一层的上表面施加表面热流为其中，t′为打印一层所需时间，S为这一层上表面面积，将等效能量在时间t^′内加载到这一层指定单元区域的上表面上。

5.根据权利要求4所述增减材复合制造零件变形的预测及控制方法，其特征在于：

所述的吸收率k由以下计算公式得出：

式中，D为熔覆层宽度，h₁为熔覆层高度，v为激光扫描速度，ρ_p为粉末颗粒密度，ρ_w基体密度，T_f为熔池最高温度，T₀为室温，c_p为粉末比热容，c_w为基体比热容，ΔH_P为粉末熔化潜热，ΔH_w为基体熔化潜热，P为激光功率。