激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法，属于激光金属成 形工艺的技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光增材制造是近年来发展迅速的一种快速成形方法，它可以直接用金属粉末来 成形高致密度的三维零件，并且很少需要后续热处理强化或者金属二次熔浸等辅助工艺手 段。然而，由于激光增材制造技术采用的热源是激光，成形件的最终质量与激光和粉末的耦 合效应密切相关。一直以来，围绕激光和粉层的作用机理和过程控制的研究并不多见，虽然 许多关于熔池的模拟也取得了一定的研究成果，但以往的研究大多集中在温度场和应力场 的模拟，是通过改变加工参数来观察温度场和应力场的变化，从而分析预测不同加工参数 对成形件最终质量的影响，并且建立的模型都是宏观层面的，将粉层视为连续均匀的介质， 即相当于把粉末层视为块体，并未考虑粉末颗粒堆垛的特殊结构所带来的影响。而现实中， 由于粉末颗粒之间存在大量的孔隙，因而粉体对激光的吸收不同于块体，空隙对激光的吸 收类似于黑体，激光经过穿透和反射可以进入粉层更深处，这就大大提高了材料对激光的 吸收率，并且，粉末颗粒的外表面多为球体或者其他不规则多面体，大大增加了表面积，也 提高了粉层表面的受光面积，这也与块体材料所不同。所以从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔 化、传热传质过程是有必要的。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了激光束与粉末颗 粒光固耦合过程的介观模拟方法，考虑到粉末颗粒堆垛结构对激光吸收率的影响，在介观 尺度下模拟粉末颗粒与激光耦合的过程，对耦合过程的温度进行数值模拟以记录粉末颗粒 熔化过程，无需改变加工参数后观察温度场和的变化，解决了现有技术在宏观层面建立熔 池模型且未考虑粉末颗粒堆垛结构对光固耦合过程的影响的技术问题。
[0004] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0005] 激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法，包括如下步骤：
[0006] A、在介观尺度下建立粉床的三维随机分布颗粒堆积模型，所述三维随机分布颗粒 堆积模型通过向介观尺度下粉床部分及其上方空气区域组成的计算区域内随机填充粉末 颗粒形成；
[0007] B、构建所述三维随机分布颗粒堆积模型的控制方程；
[0008] C、采用多相流算法在控制方程约束下解算所述三维随机分布颗粒堆积模型以获 取熔化流动过程。
[0009] 进一步的，所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法中，步骤A采用 如下方法在介观尺度下建立仅含有单一粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型：
[0010] 首先，对计算区域内单一粉末颗粒即将填充的区域进行局部网格细分，上方空气 区域保持粗网格状态；
[0011] 接着，初始化计算区域得到介观尺度下单一粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型。
[0012] 进一步的，所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法中，步骤A采用 如下方法在介观尺度下建立复合粉末粉床的随机分布颗粒堆积模型：
[0013] 首先，对计算区域内粉末即将填充的区域进行局部网格细分，上方空气区域保持 粗网格状态；
[0014] 接着，初始化计算区域得到介观尺度下单一合金材料粉末颗粒的随机分布模型；
[0015] 然后，在单一合金材料粉末颗粒的间隙中随机填充增强相粉末颗粒得到复合粉末 粉床的随机分布颗粒堆积模型。
[0016] 再进一步的。所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法，步骤B中构 建的随机分布颗粒堆积模型的控制方程包括：
[0017] 质量守恒方程：
[0026] 其中，P、p、T分别为密度、压强、温度，u、v、w分别为x、y、z方向上的流体运动速 度，k为导热率，μ为液体粘度，t为时间，▽为哈密顿算子，Sh为能量守恒方程上的源项，Sx、 Sy、Sz*别为动量守恒方程中X、y、z方向上的源项。
[0027]更进一步的，所述激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法中，步骤C的 具体方法为：确定模型边界条件以及热源加载方式后，采用求解压力耦合的质量、能量、动 量守恒方程进行迭代求解直至控制方程收敛。
[0028] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0029] (1)考虑了粉层中不同材料颗粒的大小，颗粒间隙中气相的存在等因素，不再将 粉尘视为连续性均匀介质，从介观尺度采用离散元法生成三维空间颗粒随机分布的堆垛模 型，建立的随机分布堆垛模型更加接近粉末颗粒的物理模型，为模拟激光束与粉末颗粒光 固耦合提供了基础；
[0030] (2)构建随机分布堆垛模型的控制方程并建立多相流计算模型，由采用求解压力 耦合的质量、能量、动量传递方程进行迭代求解光固耦合过程中的温度；
[0031] (3)通过对光固耦合温度的数值模拟得到粉尘颗粒熔化记录，观察到不同时刻由 颗粒熔化坍塌流动形成三维熔池的具体过程，获得了沿着某一横截面和纵截面的温度分布 图、速度矢量图以及烧结颈形成图，并可根据模拟结果初步预测出烧结成形件的致密度和 孔隙有可能出现的位置。
[0032] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0034] 图1为介观尺度的粉床模型原理图；
[0035] 图2为纯AlSilOMg颗粒模型网格划分图；
[0036] 图3为AlSilOMg+TiC增强相复合材料模型网格划分图；
[0037] 图4为AlSilOMg颗粒与激光耦合过程温度分布云图；
[0038] 图5为AlSi10Mg颗粒受激光辐射熔化过程动态演变截面图；
[0039] 图6(a)、图6 (b)为颗粒在激光辐射下烧结颈形成的过程演变图。
【具体实施方式】
[0040] 下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性 的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0041] 本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术 语和科学术语）具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应 该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的 意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0042] 本发明涉及的激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法以下三大步：首 先，在介观尺度下建