1.本发明涉及3d打印技术领域，具体地说，是涉及一种基于多物理场耦合求解热累积效应的激光增材制造构件微观组织均匀化调控方法。
背景技术：
2.增材制造(additive manufacturing，am)技术(3d打印)作为一种逐层逐道堆积的快速成型技术，因其成型效率高、材料利用高、整体结构一体化成型且环境友好等众多优点，现已逐渐成为高精密复杂零件加工制造的主选技术之一。利用3d打印技术成形的结构零件能否用于产品制造直接取决于零件的性能好坏，构件力学性能在微观尺度上与内部不同区域微观组织分布均匀性息息相关。
3.增材制造过程中由于逐层堆积特点导致热量传导和散失较慢出现热累积现象，进而影响沉积层内部微观组织呈不均匀分布。在增材制造过程中，温度场、应力/应变场和微观组织三者相互之间存在着耦合效应，温度场的分布特征对其它二者存在着至关重要的影响，通过温度场的计算结果可以实现应力/应变场和微观组织的求解调控。在增材制造过程中，合适的工艺参数及温度场分布是获得性能优良沉积层的重要因素，熔池的凝固热力学行为如微观组织和晶粒形态演变对沉积层的性能有着很大影响。然而，由于增材制造过程具有熔池尺寸非常小且熔池周围温度十分高的特点，在当前技术下采用传统的实验方法对沉积层的温度场、应力/应变场和微观组织进行实时精确地测量和控制还存在一定的困难。
4.近年来，随着计算机技术的发展，目前运用数值模拟技术对温度场、应力/应变场和微观组织进行计算以实现铸造和焊接过程预览的已有部分案例。3d打印过程是一个快速熔化又快速冷却的过程，熔池存在时间极为短暂，但是其物理过程却十分复杂，对3d打印过程进行模拟以再现增材制造过程，有效预测沉积层中的气孔、裂纹、杂质和层间结合力强弱等一些可能存在的缺陷，并基于仿真所求热累积程度调控工艺参数，这对于改善沉积层的宏观形貌特征，优化沉积层组织以及性能等都具有十分重要的意义。
5.针对结构零件3d打印过程，开展温度场、应力应变场和微观组织等多场耦合模拟，将3d打印技术和有限元分析进行综合应用，通过动态计算沉积过程热累积程度以不断优化工艺参数，实现3d打印结构零件的组织、应力、变形和性能预测优化，达到结构零件3d打印微观组织均匀化调控的目的。
技术实现要素：
6.本发明的目的是设计一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法。
7.本发明要解决的主要问题是：传统实验方法预测热累积效应并优化工艺参数以调控微观组织和力学性能成本颇高、费时费力且最终提升效果难以保证。
8.本发明中提及的一种基于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组
织均匀化调控方法，其具体内容为：
9.(1)采用三维扫描仪采集实际结构零件激光增材制造几何尺寸并进行图像处理，并构建与其相对应的三维3d打印结构零件有限元模型；
10.(2)针对有限元模型进行计算以获取温度场、应力场和变形结果，进一步提取热循环和热累积结果；
11.(3)基于热累积、应力场和变形结果动态判定以优化获得从沉积层底部至顶部热输入梯度减小的工艺参数；
12.(4)将宏观温度场结果进行插值耦合以构建微观组织场模型，计算获得结构零件3d打印过程的微观组织演变等微观变化；
13.(5)基于微观组织仿真结果的均匀化程度动态判定识别以下一步输入工艺参数进行样件打印和力学性能测试，判断沉积层不同高度处力学性能是否均匀以最终获得微观组织和性能均匀化的增材样件并最终输出工艺参数。
14.优选地，步骤(1)是针对激光增材零件进行热作用范围进行分区，将其分为热源主作用区域、热影响区域和远离热作用区域，采用疏密过渡的网格划分方式对整个增材构件几何模型进行网格模型的建立，针对所需的材料进行材料热物性参数的设置，包括常温参数和随温度变化参数的定义，设置与实际情况相符的增材路径，加载位移边界条件、散热边界条件以及热源作用网格，输入包括激光功率和扫描速度在内的工艺参数并选取能够表征热源的热源模型完成有限元模型的建立。
15.优选地，步骤(2)是采用热机耦合方法进行温度场、应力场和变形的仿真计算，通过将模拟结果与实验结果进行对比达到吻合度后进行后续计算，通过提取热循环曲线以获取每层每道沉积过程中的峰值温度，从沉积层底部至沉积层顶部进行峰值温度差值计算以获取热累积数据，通过数值拟合计算获取热输入与热累积关系曲线。
16.优选地，步骤(3)是首先识别判定沉积层应力呈均匀分布后进一步识别判定变形是否均匀分布且变形量是否在合理范围，之后判定是否存在热累积现象，通过逐级迭代判定全部符合准则后输出工艺参数和宏观温度场结果，当单一因素不符合准则时直接进行梯度工艺参数的计算，通过设置沉积层底层工艺参数、顶层工艺参数和梯度参数过渡的梯度级数，与实际沉积层数进行匹配运算后获得从底层到顶层梯度减小热输入参数的获取，包括梯度减小的激光功率和梯度增大的扫描速度二者直接的动态匹配组合。
17.优选地，步骤(4)是考虑宏观温度场对3d打印结构零件的微观组织模拟结果的影响，建立3d打印结构零件的三维宏观温度场和微观组织场的耦合，通过建立形核模型和溶质场模型以建立微观组织生长模型，计算获得结构零件3d打印过程的微观组织演变等微观变化。
18.优选地，步骤(5)是首先根据微观组织模拟结果识别判定最终不同区域的微观组织是否呈均匀分布，当不满足该准则时返回有限元仿真模块重新获取梯度工艺参数，直至满足当下准则后输出模拟结果和对应工艺参数，进行实际式样的增材制造，针对实际式样进行无损检测判定其内部是否存在裂纹，当有裂纹时返回有限元仿真模块重新获取梯度工艺参数，直至满足当下准则后对式样进行力学性能测试，包括显微硬度测试和拉伸性能测试，针对不同高度处的力学性能均匀性进行判断，当力学性能呈非均匀分布时重复迭代上述步骤直至获取不同区域微观组织和力学性能均呈均匀分布的增材构件，并输出对应的工
艺参数。
19.本发明的有益效果：
20.通过耦合温度场、应力场、变形场和微观组织场多个物理场，基于模拟结果中对应构件不同物理场分布均匀性进行反复迭代计算，能够获得微观组织和力学性能均呈均匀分布的3d打印结构零件。模型能够很好地对热累积现象进行定量计算和判别优化，并能考虑温度场变化与应力场和变形的影响，基于热累积现象、应力变形和微观组织分布地均匀性、构件内部裂纹缺陷的产生和不同区域力学性能的差异性多方因素进行层层判别，动态逐级迭代获取与预期结果最相匹配的梯度工艺参数，实现基于仿真的结构零件3d打印过程中微观组织和力学性能的数值预测优化。优化结果能够同时满足微观组织和力学性能的均匀性以及裂纹缺陷的避免。
附图说明
21.图1为用于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法的实现流程图。
具体实施方式
22.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
23.本发明方法工作流程如图1所示。
24.图1为用于多物理场耦合求解热累积效应的增材制造构件微观组织均匀化调控方法的实现流程图。
25.步骤1采集实际结构零件增材制造几何尺寸，具体步骤包括对增材样件基体材料三维几何尺寸的测量和对沉积区域扫描路径(单道扫描长度、相邻层道间距)和每层每道沉积层尺寸的获取。
26.步骤2建立结构零件增材制造几何模型，在有限元建模软件中根据输入的实际几何尺寸进行几何模型的构建。
27.步骤3对增材制造构件热作用范围进行分区，根据热源尺寸判定热源对整体结构零件热作用范围，基于受热程度的不同将整体构件划分为热源主作用区域、热影响区域和远离热源不受热区域。
28.步骤4针对几何模型结合分区构建网格模型，结合三种分区对增材制造构件几何模型采用疏密过渡的网格划分方式在有限元网格模型构建软件中进行网格模型的建立，以保证整体构件的计算效率和计算精度。
29.步骤5-9为在marc有限元分析软件中建立结构零件增材制造有限元模型，包括：
30.(1)获取并加载材料热物性参数。定义弹性模量、屈服强度、热膨胀系数、导热系数及比热容等热敏参数变量随温度变化的关系，定义材料的泊松比和密度，将定义的材料性能参数施加到相应的网格单元上；
31.(2)散热边界条件和力学边界条件的设置。散热边界条件设置工件和外界环境的对流系数为40，设置周围环境的温度为20℃，选取整个构件能够散热的外表面单元设定散热边界条件；力学边界条件的设置主要是构件在增材过程中由于应力和变形发生发生刚性
位移，基于施加约束原则在保证物体不发生刚性位移的同时也不添加多余的刚性约束，在三维空间的x、y和z方向上对结构体单元设置与实际增材过程中物理装夹条件相对应的位移约束，完成力学边界条件的设置；
32.(3)增材路径的设置。因结构零件外形尺寸的性质决定增材制造过程通常为多层多道与多种扫描方式相结合的激光扫描形式，因而需要根据实际情况设定多条激光扫描路径，路径的设定采用节点法，激光的指向方法采用节点法，依据之前设定的激光扫描路径与激光照射方向之间的关系选择节点；
33.(4)工艺参数的定义和加载。激光工艺参数的输入主要包括激光功率和扫描速度的设置，根据实际情况对不同激光工艺参数所对应的网格单元进行选取和加载；
34.(5)热源模型的选取与加载。首先选择合适的热源模型对激光束作用进行表征，并对热源参数进行设定，双椭球热源参数：焊接能量、有效功率系数、热源宽度、热源深度、热源前半椭球长度、热源后半椭球长度，高斯热源参数：面热源功率、面热源有效作用半径、体热源功率、体热源有效作用半径、体热源有效作用深度、热源有效吸收系数，选择热源能够包括的单元范围，施加工件和外界环境的对流边界条件。
35.步骤10在有限元模型建立完成后，采用有限元方法完成温度场、应力场和变形的仿真计算。
36.步骤11通过判断温度场模拟结果与实际实验结果的符合度来判断是否继续进行计算，如果不相符合则进入步骤9对热源模型参数进行调整，否则，输出模拟模拟结果并继续进入步骤12。
37.步骤12-15为对温度场仿真结果的后处理，包括：
38.(1)热循环曲线的提取。选取不同区域的节点并针对具体的层道数和对应的计算时间步，在软件中提取出对应节点在某一时间步阶段内温度随增材时间的变化曲线；
39.(2)每层每道峰值温度的提取。基于所提取的热循环曲线，针对每层每道内节点在激光作用当刻的最高温度和激光远离后在一次重熔前后的该节点的最高温度并进行记录整理；
40.(3)沉积过程热累积数据的获取。基于所获取的每层每道峰值温度，对相邻层道节点的峰值温度进行差值运算获取温度差值，该温度差值作为表征沉积过程热累积程度并进行数据记录；
41.(4)热累积参数与热输入关系曲线获取。针对每层每道所选取的激光工艺参数，进行运算后获取实时热输入数值，基于所获取的沉积过程热累积数据，基于二者在空间位置上的对应性将二者进行拟合获取关系曲线。
42.步骤16通过判断沉积层中应力分布是否均匀来判断是否继续进行计算，如果应力分布不均匀则进入步骤20-21获取从底部到顶部梯度热输入减小的工艺参数，否则，进入步骤17进行变形分布的判定。
43.步骤17通过判断沉积层中变形分布是否均匀来判断是否继续进行计算，如果变形分布不均匀则进入步骤20-21获取从底部到顶部梯度热输入减小的工艺参数，否则，进入步骤18进行变形量的判定。
44.步骤18通过判断构件整体变形量是否在合理范围来判断是否继续进行计算，如果变形量超过一定范围则进入步骤20-21获取从底部到顶部梯度热输入减小的工艺参数，否
则，进入步骤19进行热累积的判定。
45.步骤19通过判断沉积层中是否存在热累积现象来判断是否继续进行计算，如果存在热累积现象则进入步骤20-21获取从底部到顶部梯度热输入减小的工艺参数，否则，进入步骤22输出工艺参数和宏观温度场结果。
46.步骤20-21为梯度工艺参数的获取，包括：
47.(1)设置沉积层底层参数。因构件初始沉积时整体层高较小，散热较好，因此设置较大热输入所对应的激光功率和扫描速度。
48.(2)设置沉积层顶层参数。因构件沉积到顶部时之前增材过程的热量累积导致构件整体温度较高且散热较慢，因此设置较小热输入所对应的激光功率和扫描速度。
49.(3)设置梯度参数梯度等级。针对整体构件增材所需要的时间和所需要的沉积层道数，根据热累积定量运算公式进行从底部较大热输入参数到顶部较小热输入参数过渡的级数。
50.(4)获取从底层至顶层热输入梯度减小的参数。根据设置的底层参数、顶层参数和梯度过渡级数，运算获得不同级数下对应的热输入，之后根据所对应的热输入进行激光功率梯度变化的运算和扫描速度梯度变化的运算，获取多种参数组合。
51.步骤22为从软件中输出工艺参数和宏观温度场结果。
52.步骤23-28为微观组织场的计算，包括：
53.(1)输入有限元宏观计算的温度场结果。
54.(2)微观组织模拟参数设置。输入温度、溶质分数和模拟中用到的3d打印结构零件的材料物性参数，物性参数包括液相线温度、液相线斜率、溶质分配系数、液相扩散系数、固相扩散系数、gibbs-thomson系数、初始浓度、元胞尺寸、时间步等。
55.(3)宏观-微观温度场插值计算。宏观温度场和微观组织分别采用有限元仿真软件和编程软件两种不同的软件进行模拟，在实现宏微观温度场耦合中采用弱耦合模式。在弱耦合模式中，将输入的宏观温度场模拟结果进行插值运算获得每个元胞的微观节点温度。
56.(4)建立形核模型。模型赋予每个元胞温度、溶质浓度、晶粒长大取向和晶粒状态变量等信息。每个形核的固相晶粒具有随机的长大取向。元胞状态变化采用连续变量表示。“1”代表固相，“0”代表液相，“0”和“1”之间代表固/液界面，处于界面态的元胞可以发生形核和长大。首先判断过冷度是否大于临界过冷度，当过冷度大于临界过冷度时在液态金属中发生凝固形核；一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。
57.(5)建立溶质场模型。考虑单个元胞内部的溶质浓度变化，然后考虑相邻元胞之间的扩散。
58.(6)在微观组织生长模型建立完成后开始进行微观组织动态演变过程的模拟计算。
59.步骤29通过判断模拟结果中显示的不同区域的微观组织是否分布均匀来判断是否继续进行计算，如果不同区域的微观组织呈非均匀分布则进入步骤20-21获取从底部到顶部梯度热输入减小的工艺参数，否则，进入步骤30输出微观组织模拟结果。
60.步骤30输出微观组织模拟结果。
61.步骤31输出对应于微观组织均匀分布的工艺参数。
62.步骤32采用上述工艺参数进行实际式样的激光增材制造。
63.步骤33通过判断实际式样内部是否存在裂纹来判断是否重新返回计算，如果增材件内部存在裂纹则进入步骤20-21获取从底部到顶部梯度热输入减小的工艺参数，否则，进入步骤34对该式样进行力学性能测试。
64.步骤34为力学性能测试，具体步骤包括针对构件不同区域选取力学性能测试式样，分别进行显微硬度测试和拉伸性能测试，对不同区域的力学性能测试结果进行记录和对比分析。
65.步骤35通过判断实际式样内部不同区域的力学性能是否存在明显差异来判断是否重新返回计算，如果增材件内部不同区域力学性能存在明显差异则进入步骤20-21获取从底部到顶部梯度热输入减小的工艺参数，否则，进入步骤36输出对应工艺参数并保存相应式样。
66.以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。