1.一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,建立仿真模型:在三维建模软件中建立基板和样件的三维模型,对样件和基板分别赋予材料属性;
步骤2,离散有限差分单元:将步骤1得到的基板和样件的三维模型按照设定的尺寸离散得到若干正六面体有限差分单元el单元,将设定区域内的el单元细化分割得到比el单元尺寸小的em单元,将部分em单元细化分割得到比em单元尺寸小的es单元;el单元、em单元和es单元组成嵌套单元;
步骤3,建立传热计算模型,确定最大允许计算时间步长δtj:建立同类型单元之间的换热方程,根据步骤2确定的el单元、em单元及em单元的尺寸,结合基板材料属性、样件材料属性以及粉末的热物性参数计算同类型单元之间传热的最大允许计算时间步长δtj,以保证传热计算收敛;
步骤4,确定传热策略:根据激光的扫描速度确定激光在步骤2所得es单元之间的移动时间,并根据其与步骤3得到的各单元之间的最大允许计算时间步长的大小关系,确定传热计算策略,并对步骤3确定的最大允许计算时间步长δtj进行修正;
步骤5,计算温度场:按照步骤4确定的传热计算策略开始模拟slm成形过程,即可得到slm成形过程温度场的数值模拟结果,计算结果包含整个成形过程中各类型单元的温度变化历程。
2.根据权利要求1所述的一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,在所述步骤2中,将基板的三维模型和样件的三维模型按照长为δx,宽为δy,高为δz的正六面体el单元离散,el单元各方向尺寸为热源激光光斑直径的2-10倍;定义em单元是长为δx,宽为δy,高为δz的正六面体单元;定义es单元是长为δx,宽为δy,高为δz的正六面体单元,δx与δy大小与热源激光光斑直径相同;定义n是正六面体el单元与正六面体es单元的尺寸比,即
3.根据权利要求2所述的一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,所述步骤2中,设定区域为:所有z方向坐标等于激光所在el单元坐标zc以及等于zc-1的el单元;将连同激光所处el单元在内的4×2×2个el单元1所包含的em单元再次细化分割为若干es单元。
4.根据权利要求1所述的一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,所述步骤2中,被划分为es单元的区域跟随激光移动而改变。
5.根据权利要求1所述的一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,所述步骤2中,es单元的高度δz尺寸与实际打印铺粉层的厚相同。
6.根据权利要求1所述的一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,所述步骤3中,slm成形过程中的空间内任一单元位置用其几何中心的点坐标表示,其与周围单元的有限差分换热公式表示为:
上式中
7.根据权利要求6所述的一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,所述步骤3中,空间内的某一单元a单元的最大允许计算时间步长δtj满足下式:
上式中,j=1,2...,δtj是最大允许计算时间步长,ρ是a单元材料的密度,c是a单元材料的比热容,λa是a单元材料的导热系数,λb是b单元材料的导热系数,λc是c单元材料的导热系数,λd是d单元材料的导热系数,λe是e单元材料的导热系数,λf是f单元材料的导热系数,λg是g单元材料的导热系数,δxj、δyj、δzj是a单元的尺寸;其中b单元和c单元为在x方向上与a单元相邻的单元,其中d单元和e单元为在y方向上与a单元相邻的单元,其中z单元和g单元为在x方向上与a单元相邻的单元。
8.根据权利要求1所述的一种slm成形过程温度场数值模拟方法,其特征在于,在所述步骤4中,定义δtv=δx/v,v是激光扫描速度,δtv是激光在es单元之间的移动时间;em-em单元之间以及es-es单元之间的传热时间均为δt1,el-el单元之间的传热时间为δt2;
在速度v逐渐增大过程中,各时间步长存在三种关系:δt1<δt2<δtv、δt1<δtv<δt2或δtv<δt1<δt2;
当δt1<δt2<δtv成立时:
定义n1=δtv/δt2,进行δt2数值修正,使n1取正整数,修正方法为将n1向大值取整,δt2=δtv/n1;定义n2=δt2/δt1,进行δt1值修正,使n2取正整数,修正方法为将n2向大值取整,δt1=δt2/n2;
当δt1<δtv<δt2成立时:
定义m1=δt2/δtv,进行δt2数值修正,使m1取正整数,修正方法为将m1向小值取整,δt2=m1·δtv;定义m2=δtv/δt1,进行δt1数值修正,使m2取正整数,修正方法为将m2向大值取整,δt1=δtv/m2;
当δtv<δt1<δt2成立时:
保持δtv不变,减小δt1使得δtv=δt1,n1=δtv/δt2,进行δt2数值修正,使n1取正整数,修正方法为将n1向大值取整,δt2=δtv/n1。