(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 202210873331.0 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 黑龙江科技大 学 地址 150022 黑龙江省哈尔滨市松北区浦 源路2468号 (72)发明人 陈凯云　梁钰彬　张港港　孟祥林　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市晨晟知识产权代理 有限公司 23219 专利代理师 朱永林 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种预测SLM单熔道表面质量的数值模拟方 法 (57)摘要 一种预测SLM单熔道表面质量的数值模拟方 法， 属于选区激光熔化技术领域。 为解决SLM数值 模拟模型的精度不高的问题。 本发 明通过离散元 软件EDEM2020建立粉床模型； 建立模拟SLM传热 模型以及熔池驱动力的多物理场模 型， 熔池驱动 力的多物理场模型包括流体体积函数两相流模 型、 熔化/凝固模型； 将建立的模型导入C FD软件， 并添加粉床材料热物性参数参与计算， 对计算域 模型进行网格划分； 在C FD软件中设置工艺参数， 进行SLM单熔道成形试验及后处理模拟； 进行打 印试验， 验证数值模拟方法。 本发明对比分析模 拟单熔道表面质量与实际熔道表面质量， SLM数 值模拟模型模拟SLM传热更加真实、 全面， 为表面 质量后续优化 提供参考。 权利要求书3页 说明书8页 附图1页 CN 115238605 A 2022.10.25 CN 115238605 A 1.一种预测SLM单 熔道表面质量的数值模拟方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： S1、 通过离 散元软件EDEM2020建立粉床模型； S2、 建立模拟SLM传热模型以及熔池驱动力的多物理场模型， 所述熔池驱动力的多物理 场模型包括 流体体积函数两相流模型、 熔化/ 凝固模型； S3、 将步骤S1和步骤S2建立的模型导入CFD软件， 并添加粉床材料热物性参数参与计 算， 对计算 域模型进行网格划分； S4、 在CFD软件中设置 工艺参数， 进行SLM单 熔道成形 试验模拟及后处 理； S5、 进行打印试验， 验证数值模拟方法。 2.根据权利要求1所述的一种预测SLM单熔道表面质量的数值模拟方法， 其特征在于： 步骤S1的具体实现方法包括如下步骤： S1.1、 采用扫描电子显微镜对GH3536镍基高温合金加工粉材进行粉末几何形貌分析， 将GH3536镍基高温合金粉末定义 为球形； S1.2、 将GH3536材料粉末的粒径分布结果输入离散元软件， 建立粒径服从正态分布的 粉末颗粒模型； S1.3、 设置粉末颗粒模型的基本物理参数； S1.4、 建立铺粉毂、 铺设区和料 缸表面； S1.5、 将设置好的粉末颗粒模型均匀的平铺 在铺设区中， 得到粉床模型。 3.根据权利要求2所述的一种预测SLM单熔道表面质量的数值模拟方法， 其特征在于： 步骤S1.5中所述粉床模型的规格为1m m×0.4mm×0.05mm。 4.根据权利要求1或2所述的一种预测SLM单熔道表面质量的数值模拟方法， 其特征在 于： 步骤S2的具体实现方法包括如下步骤： S2.1、 模拟SLM传热模型的建立基于将高能激光束的输入简化为热源模型， 模拟SLM传 热模型采用平面热源模型； 同时高能激光束 热源的热流密度满足 高斯分布， 所以模拟SLM传 热模型采用高斯 面热源模型， 得到高斯 面热源数 学分布函数为： q(r)为热流密度， r表示空间中任意点到激光中心的距离， R表示有效激光半径， (x0,y0) 为激光起始点， (vx,vy)分别表示激光运动时X、 Y方向的速度分量， t表示激光扫描时间， ξ为 GH3536粉末颗粒对激光能量的吸 收率， P为激光输出功率； S2.2、 建立流体体积函数两相流模型： 在VOF两相流模型中， 将整个计算域视为GH3536 材料与氩气的混合域， 每个控制体内GH3536材料相和氩气相体积分数之和为 1， 定义氩气体 积分数为α， GH 3536材料体积分数为(1 ‑α )， 据此可得GH3536材料相连续 性方程为： 式中， ρ 为混合相的密度， 为两相材 料密度按所占比例的加权平均值， u表示 流动速度； S2.3、 建立熔化/凝固模型捕捉GH3536材料在 热源作用下的熔化/凝固行为， 定义参数γ 表示GH3536材料液相体积分数：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115238605 A 2式中， T为节点温度， Ts为GH3536材料固相线温度， TL为GH3536材料液相线温度； S2.4、 考虑激光选区熔化热量传递整个过程， 包括热吸收、 热传导、 热对流、 热辐射以及 蒸发散热， 则计算 域熔池吸 收高斯热源的能量发生相变、 流动物理过程的能量公式为： 式中， CP为材料比热容， 是温度的函数， ql为粉床吸收能量液化换热， qc为粉床表面与氩 气的自然对流换热， qevap为金属蒸发热耗散， 为粉床表面热辐射和氩气环境换 热， k为热导率； 粉床吸收能量液化换 热公式为： 式中， ρ3536为GH3536的材料密度； Lm为GH3536的熔化热； 粉床表面与氩气的自然对流换 热公式为： qc＝hc(T‑Ta) 式中， hc为自然对流系数， hc＝80W/m2； Ta为环境温度； 蒸发潜热Lvap的公式为： Hv为氩气相的摩尔焓值， Hl为GH3536材料液相的摩尔焓值， M是GH 3536材料的摩尔质量； 金属蒸发热耗散qevap公式为： 式中， R0为理想气体常数； P0为环境温度Ta下的饱和蒸汽压； TV为GH3536材料汽化温度； 粉床表面热辐射和氩气环境换 热公式为： 式中， αb为等效发射系数； σb为Stefen ‑Boltzmann常数， σb＝5.67×10‑8W/(m2K4)； S2.5、 建立熔池驱动力的多物理场模型受温度影响的表面张力 的关系式为： 式中， 为GH3536材料液化温度时的表面张力， 为表面张力的温度敏感系数； S2.6、 建立熔池驱动力的多物理场模型 熔融金属蒸汽反冲力Pr的表达式为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115238605 A 3