本发明涉及金属粉末床增材制造，具体地，涉及一种金属粉末床增材制造宏观结构残余变形控制方法和系统。
背景技术：
1、航空航天等高端装备领域对大型精密复杂金属构件的需求越来越迫切。金属粉末床熔化成形工艺，通过逐层累加形式成形复杂金属构件，与传统制造技术相比，具有生产周期短、材料利用率高的优点，正在成为解决航空航天制造领域关键技术难题的有效途径，具有广阔的应用前景。
2、然而，在零件成形过程中，高能激光/电子束等热输入能量使局部材料发生快速熔化凝固，极大的温度梯度使零件内部产生了高残余应力，进而使零件整体发生热变形，甚至引起翘曲开裂。对于大型精密复杂构件来说，残余应力和变形的影响更加显著，成形风险更大，失败成本更高。因此急需设计开发一种金属粉末床增材制造宏观构件的残余变形快速评价和控制方法。
3、采用数值模拟方法对金属粉末床增材制造零件成形过程进行仿真，可以预测不同工艺下的结构残余应力和变形，为后续工艺参数的选择提供参考依据。与试验方法相比，数值模拟技术具有成本低、效率高等优点。但这一技术目前多用于金属粉末床增材制造零件的残余应力和变形的评价预测，缺乏在数值仿真预测结果基础上，对于残余变形控制的通用解决方案，提出相对更好的成形工艺。因此，急需设计开发一种基于数值仿真技术的金属粉末床增材制造宏观构件残余变形控制方法，在快速评价成形构件残余变形基础上，实现基于工艺优化的结构残余变形控制。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种金属粉末床增材制造宏观结构残余变形控制方法和系统。
2、根据本发明提供的金属粉末床增材制造宏观结构残余变形控制方法，包括：
3、步骤1：通过金属粉末床熔化成形微观尺度数值模型，获取不同成形工艺参数下的材料等效固有应变，并通过近似模型技术建立成形工艺参数与材料等效固有应变的映射关系；
4、步骤2：将结构进行分区，利用宏观尺度金属粉末床增材制造数值模型，获取区域固有应变对应的宏观结构残余变形，构建分区材料固有应变与结构最大残余变形的近似模型，结合成形工艺参数与材料固有应变的映射关系，实现多分区工艺参数下的整体结构残余变形预测；
5、步骤3：开展残余变形最小化的成形工艺优化设计，实现宏观结构残余变形控制。
6、优选地，所述步骤1包括：
7、步骤1.1：建立粉层和基板结合的几何模型并划分网格，输入材料属性，设置边界条件；
8、步骤1.2：按成形方向激活粉层单元，加载当前工艺参数下的热源载荷，进行温度场求解，直至所有粉层激活完毕；
9、步骤1.3：依材料成形顺序激活单元，读取步骤1.2中的温度场求解结果，进行应力场求解，直至所有粉层激活完毕；
10、步骤1.4：对计算结果进行后处理，得到材料平均塑性应变作为该成形工艺参数的等效固有应变；
11、步骤1.5：重复执行步骤1.1至步骤1.4，计算不同成形工艺参数下的等效固有应变，根据对应的计算结果，建立成形工艺参数与材料等效固有应变的近似模型。
12、优选地，所述步骤2包括：
13、步骤2.1：对打印宏观构件按其结构特征进行分区，分区数量为n；
14、步骤2.2：将每个分区的x向和y向固有应变作为设计因子，进行2n因子试验设计；
15、步骤2.3：建立结构几何模型并划分网格，输入材料属性，施加边界条件；
16、步骤2.4：将步骤2.2中试验设计的固有应变设计因子值赋给宏观结构数值模型的对应区域；
17、步骤2.5：按高度依次激活结构单元并进行力学仿真分析，开展固有应变下的宏观结构残余变形分析；
18、步骤2.6：输出零件最终变形，其中最大残余变形作为试验设计响应；
19、步骤2.7：重复执行步骤2.4至步骤2.6直至所有设计因子组合对应的固有应变工况计算完毕，基于数值模拟结果，建立以2n因子为输入变量，结构最大残余变形为输出变量的近似模型。
20、优选地，所述步骤3包括：
21、步骤3.1：以n个区域的成形工艺参数为输入变量，代入步骤1得到的成形工艺参数与材料等效固有应变的映射关系，得到对应区域的x向和y向固有应变值；
22、步骤3.2：将固有应变值代入步骤2得到的近似模型，计算得到宏观结构的残余变形；
23、步骤3.3：以成形工艺参数为优化变量，以宏观结构残余变形最小化为优化目标，基于步骤3.1和步骤3.2中的计算流程，开展成形工艺优化设计，选择对应优化算法，迭代至优化结果收敛，获得优化后的成形工艺参数工艺。
24、优选地，通过优化不同区域扫描策略实现悬臂梁结构残余变形控制，根据激光工艺参数建立高斯面热源模型q，表达式为：
25、
26、其中，x和y为热源相对于中心点的坐标，a为粉末的激光吸收率，p为激光功率，r为光斑半径。
27、根据本发明提供的金属粉末床增材制造宏观结构残余变形控系统，包括：
28、模块m1：通过金属粉末床熔化成形微观尺度数值模型，获取不同成形工艺参数下的材料等效固有应变，并通过近似模型技术建立成形工艺参数与材料等效固有应变的映射关系；
29、模块m2：将结构进行分区，利用宏观尺度金属粉末床增材制造数值模型，获取区域固有应变对应的宏观结构残余变形，构建分区材料固有应变与结构最大残余变形的近似模型，结合成形工艺参数与材料固有应变的映射关系，实现多分区工艺参数下的整体结构残余变形预测；
30、模块m3：开展残余变形最小化的成形工艺优化设计，实现宏观结构残余变形控制。
31、优选地，所述模块m1包括：
32、模块m1.1：建立粉层和基板结合的几何模型并划分网格，输入材料属性，设置边界条件；
33、模块m1.2：按成形方向激活粉层单元，加载当前工艺参数下的热源载荷，进行温度场求解，直至所有粉层激活完毕；
34、模块m1.3：依材料成形顺序激活单元，读取模块m1.2中的温度场求解结果，进行应力场求解，直至所有粉层激活完毕；
35、模块m1.4：对计算结果进行后处理，得到材料平均塑性应变作为该成形工艺参数的等效固有应变；
36、模块m1.5：重复触发模块m1.1至模块m1.4，计算不同成形工艺参数下的等效固有应变，根据对应的计算结果，建立成形工艺参数与材料等效固有应变的近似模型。
37、优选地，所述模块m2包括：
38、模块m2.1：对打印宏观构件按其结构特征进行分区，分区数量为n；
39、模块m2.2：将每个分区的x向和y向固有应变作为设计因子，进行2n因子试验设计；
40、模块m2.3：建立结构几何模型并划分网格，输入材料属性，施加边界条件；
41、模块m2.4：将模块m2.2中试验设计的固有应变设计因子值赋给宏观结构数值模型的对应区域；
42、模块m2.5：按高度依次激活结构单元并进行力学仿真分析，开展固有应变下的宏观结构残余变形分析；
43、模块m2.6：输出零件最终变形，其中最大残余变形作为试验设计响应；
44、模块m2.7：重复触发模块m2.4至模块m2.6直至所有设计因子组合对应的固有应变工况计算完毕，基于数值模拟结果，建立以2n因子为输入变量，结构最大残余变形为输出变量的近似模型。
45、优选地，所述模块m3包括：
46、模块m3.1：以n个区域的成形工艺参数为输入变量，代入模块m1得到的成形工艺参数与材料等效固有应变的映射关系，得到对应区域的x向和y向固有应变值；
47、模块m3.2：将固有应变值代入模块m2得到的近似模型，计算得到宏观结构的残余变形；
48、模块m3.3：以成形工艺参数为优化变量，以宏观结构残余变形最小化为优化目标，基于模块m3.1和模块m3.2中的计算流程，开展成形工艺优化设计，选择对应优化算法，迭代至优化结果收敛，获得优化后的成形工艺参数工艺。
49、优选地，通过优化不同区域扫描策略实现悬臂梁结构残余变形控制，根据激光工艺参数建立高斯面热源模型q，表达式为：
50、
51、其中，x和y为热源相对于中心点的坐标，a为粉末的激光吸收率，p为激光功率，r为光斑半径。
52、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
53、(1)通过多尺度数值模拟技术，实现了成形工艺参数-材料等效固有应变-宏观结构变形间的层层映射，为宏观结构变形控制提供了数值仿真基础；
54、(2)通过建立固有应变与结构残余变形的近似模型，提高了增材制造宏观结构残余变形的计算效率，进一步提高了优化效率；
55、(3)本发明提出的计算方法能够实现不同增材制造成形工艺参数下大型结构残余变形的快速预测，通过以残余变形最小化为目标的分区成形工艺优化设计，可以从一定程度上控制大型结构打印过程中的残余变形。