(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210919061.2 (22)申请日 2022.08.02 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号北京理工大 学 (72)发明人 廉艳平　熊飞宇　陈嘉伟　刘学平　 (74)专利代理 机构 北京高沃 律师事务所 1 1569 专利代理师 赵兴华 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 113/10(2020.01) (54)发明名称 一种金属增材制造晶粒组织凝固和粗化的 模拟方法及系统 (57)摘要 本发明涉及一种金属增材制造晶粒组织凝 固和粗化的模拟方法及系统， 方法包括： 对金属 材料的计算域进行网格划分； 计算当前时刻温度 分布， 确定每一单元金属材料所处的区域， 进而 对熔池区与热影响区单元分别采用元胞自动机 法和蒙特卡洛法模拟凝固与粗化。 本发明中， 将 元胞自动机法和蒙特卡洛 法强耦合， 不仅可以同 时考虑晶粒 组织的凝固与粗化， 使模拟结果更准 确， 还融合了两种算法的优势， 即提高计算效率 的同时也具 备更完备的物理基础。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115270573 A 2022.11.01 CN 115270573 A 1.一种金属 增材制造晶粒组织凝固和粗 化的模拟方法， 其特 征在于， 包括： 对金属材料的计算域进行网格划分， 对每一网格单元的单元金属材料赋予初始晶粒标 识符与晶向， 并依据形核密度选取预设数量的所述单元金属材料作为潜在形核点， 依据高 斯分布对每一所述潜在形核点分配临界过冷度； 计算当前时刻t所述计算 域的温度场分布； 基于当前所述温度场分布， 确定每一所述单元金属材料的状态所处的区域； 所述区域 为熔池区， 热影响区或非影响区； 所述非影响区为所述热影响区范围之外的区域； 对所有处于所述熔池区的所述单元金属材料， 逐一选择每一个所述单元金属材料， 并 利用元胞自动机法根据所述单元金属材料及其邻居单元金属材料的状态与温度进行生长 和捕获过程模拟， 利用所述单元金属材料是否为所述潜在形核点及其临界过冷度进行形核 过程模拟； 对所有处于所述热影响区的所述单元金属材料， 逐一选择每一个所述单元金属材料， 并利用蒙特卡洛法进行粗 化过程的模拟； 当所述单元金属材料处于所述非影响区， 不需要当前所述单元金属材料进行模拟处 理； 判断每一所述单元金属材料的温度是否均小于热影响区下限温度， 得到第一判断结 果； 若所述第一判断结果为否， 则令t＝t+Δt， 并返回步骤 “计算t时刻所述计算域的温度 场分布”； 若所述第一判断结果 为是， 则完成凝固和粗 化的模拟。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 计算当前时刻t所述计算域的所述温度场 分布的表达式为： 其中， T0为起始温度； q和v为热源的功率和速度； r(y， z)为从网格单元到热源路径的距 离； λ为热导率； α 为热扩散率； ξ＝x ‑vt为网格单元在扫描 方向上到热源中心的距离； x、 y和z 为网格单 元中心的坐标值。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述基于所述温度场分布， 确定每一所述 单元金属材料的状态所处的区域， 具体包括： 对每一所述单元金属材料， 判断所述单元金属材料的温度 是否大于等于材料固相限温 度， 得到第二判断结果； 当所述第二判断结果 为是， 则确定所述单 元金属材料的状态处于所述熔池区； 当所述第二判断结果为否时， 则判断所述单元金属材料的温度 是否大于等于材料热影 响区的下限温度； 若是， 则确定当前所述单元金属材料的状态处于所述热影响区， 若否， 则 确定当前 所述单元金属材料的状态处于所述非影响区。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述利用元胞自动机法根据 所述单元金属 材料及其邻居 单元金属材料的状态与温度进 行生长和捕获过程模拟， 利用所述单元金属材 料是否为所述潜在形核点及其临界过冷度进行 形核过程模拟， 具体包括： 根据所述单元金属材料的当前温度和材料液相限温度计算所述单元金属材料的过冷权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270573 A 2度； 对每一所述单 元金属材料， 根据所述过冷度判断所述单 元金属材料的状态； 当所述过冷度小于0时， 则删除所述单元金属材料的中心包络并将所述单元金属材料 的状态变为液态； 当所述过冷度大于等于0时， 则根据所述单元金属材料的状态以及所述单元金属材料 是否为所述潜在形核点进行 形核过程模拟以及生长和捕获过程模拟。 5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 所述根据所述单元金属材料的状态以及所 述单元金属材料是否为所述潜在形核点进 行形核过程模拟以及生长和捕获过程模拟， 具体 包括： 当所述单元金属材料的状态为液态， 且所述单元金属材料为所述潜在形核点， 则判断 所述单元金属材料的所述过冷度是否大于等于所述临界过冷度， 得到第三判断结果； 若所述第三判断结果为是， 则在 当前所述单元金属材料的中心生成一个具有随机取向 的八面体包络； 若所述第三判断结果 为否， 则当前 所述单元金属材料不进行 形核过程模拟； 当所述单元金属材料的状态为固态， 判断所述单元金属材料的邻居单元金属材料的状 态中是否存在液态， 得到第四判断结果； 若所述第四判断结果为是， 则对所述单元金属材料中的包络的大小进行更新； 当液态 邻居单元金属材料的中心处于所述单元金属材料中的包络内， 则所述液态邻居单元金属材 料被所述单 元金属材料中的包络捕获； 若所述第四判断结果为否， 则不对所述单元金属材料中的包络的大小进行更新， 所述 单元金属材料中的包络停止生长 。 6.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 所述对所述单元金属材料中的包络的大小 进行更新， 具体包括： Lt+Δt＝Lt+u(ΔT)Δt u(ΔT)＝a1ΔT+a2ΔT2+a3ΔT3 其中， Lt与Lt+Δt分别为t与t+Δt时刻包络大小模 块； v(ΔT)为包络生长速度； a1， a2， a3为 拟合参数； ΔT为过冷度； Δt为元 胞自动机模型的当前时间迭代步的时间增量。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述利用蒙特卡洛法进行粗化过程的模 拟， 具体包括： 计算粗化 时间步， 并根据所述粗化 时间步计算元胞自动机法中的时间增量内的粗化 时 间步增量； 对所有处于所述热影响区的所述单元金属材料， 逐一选择每一个所述单元金属材料； 对每一所述单元金属材料， 判断当前所述单元金属材料的晶粒标识符是否与对应的邻居 单 元金属材料的所述晶粒 标识符均一 致， 得到第五判断结果2 当所述第五判断结果为是， 则所述单元金属材料不处于晶界处， 不修改当前所述单元 金属材料的所述晶粒 标识符； 若所述第五判断结果为否， 则所述单元金属材料处于晶界处， 预修改所述单元金属材 料的所述晶粒标识符为目标晶粒标识符； 所述目标晶粒标识符为任意一个与当前所述单元 金属材料的所述晶粒 标识符不 一致的所述邻居单 元金属材料的所述晶粒 标识符；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270573 A 3