本技術(shù)涉及增材制造與仿真，特別涉及一種激光床粉末熔融凝固過程中的參數(shù)預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、激光粉末床熔融技術(shù)基于計算機(jī)模型切片化思想和逐層打印的成形方法，經(jīng)層層堆疊后實現(xiàn)精密構(gòu)件的制造，在零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在巨大優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于汽車、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域。然而，在激光粉末床熔融制造過程中，材料多次經(jīng)過冷熱交替，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)復(fù)雜的各項異性性質(zhì)，而介觀熔池出現(xiàn)的傳熱、傳質(zhì)、熔化、凝固等一系列物理現(xiàn)象將會直接影響到微觀晶粒的形核、長大、溶質(zhì)偏析、相變以及宏觀零件成形的溫度場分布和應(yīng)力應(yīng)變變化等過程，進(jìn)而對成形零部件的質(zhì)量和力學(xué)性能產(chǎn)生波動。因而，掌握和調(diào)控成型件殘余應(yīng)力分布、熔池動態(tài)流動行為和微觀組織生長形貌顯得尤為重要，同時可以消除成形產(chǎn)品出現(xiàn)的裂紋、球化、剝蝕、氣孔等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的在于提供一種激光床粉末熔融凝固過程中的參數(shù)預(yù)測方法及系統(tǒng)，以解決或緩解上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供如下技術(shù)方案：

3、本技術(shù)提供一種激光床粉末熔融凝固過程中的參數(shù)預(yù)測方法，對不同工藝參數(shù)組合下，對通過激光進(jìn)行粉末材料熔融、凝固得到成型件的殘余應(yīng)力和屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，所述預(yù)測方法包括：

4、步驟s101、基于建立的所述粉末材料熔融過程中介觀尺度的熔池動力學(xué)模型，提取介觀熔池的溫度場數(shù)據(jù)和所述介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)；步驟s102、將所述溫度場數(shù)據(jù)與預(yù)先建立的所述成型件在宏觀尺度的熱流耦合模型進(jìn)行耦合；步驟s103、基于相場法建立凝固過程中微觀尺度的枝晶生長模型，并與提取的所述介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合；步驟s104、基于所述熔池動力學(xué)模型、所述熱流耦合模型和所述枝晶生長模型，獲取所述粉末材料熔融對應(yīng)的成型件的模擬數(shù)據(jù)集；其中，所述模擬數(shù)據(jù)集中包括多組殘余模擬應(yīng)力、屈服模擬強(qiáng)度及其對應(yīng)的工藝參數(shù)的集合；步驟s105、根據(jù)所述模擬數(shù)據(jù)集，對基于mlp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的參數(shù)預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練并優(yōu)化評估，以對不同工藝參數(shù)組合下所述成型件的殘余應(yīng)力和屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。

5、優(yōu)選的，步驟s101中，所述熔池動力學(xué)模型為：

6、

7、其中，ql為激光組合熱源，β為粉末床中的粉末對激光的吸收率，δ為熱源比例系數(shù)，p為激光功率，ω為激光光束作用半徑，r為激光光束范圍內(nèi)的點(diǎn)到所述激光組合熱源ql中心的距離；h為所述激光組合熱源的高度；e為所述激光組合熱源的左右擺動頻率；precoil為介觀尺度的蒸汽反沖壓力，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；δh為蒸發(fā)焓；r為理想氣體常數(shù)，tlv為所述粉末材料的沸點(diǎn)溫度，t為所述粉末材料熔融過程中的當(dāng)前溫度；γ(t)為所述粉末材料在溫度t下的表面張力，γm為所述粉末材料在熔融溫度tm下的表面張力，tm為所述粉末材料的熔化溫度。

8、優(yōu)選的，步驟s102中，建立與所述熔池動力學(xué)模型同尺寸同網(wǎng)格的所述熱流耦合模型，并在所述熱流耦合模型中添加所述激光組合熱源；以預(yù)定義場的形式將所述溫度場數(shù)據(jù)添加至所述熱流耦合模型。

9、優(yōu)選的，步驟s103中，

10、在所述枝晶生長模型中，將所述介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)以溫度梯度的形式施加微觀溫度場；其中，微觀溫度場控制方程為：

11、

12、其中，t為所述粉末材料熔融得到的熔體在凝固過程中的溫度；z為所述枝晶生長模型中垂直于固液界面的方向；t為所述粉末材料熔融得到的熔體在凝固過程中的凝固時間；t0為所述枝晶生長模型底部區(qū)域的初始溫度；vp為所述粉末材料熔化后得到的熔體的凝固速度；v為激光掃描速度，α為激光掃描方向與所述固液界面的夾角；g(t)為溫度梯度，tb為所述介觀熔池表面中心與所述介觀熔池表面法線交點(diǎn)的溫度，tm為所述粉末材料的熔化溫度；lf為單位體積所述粉末材料的熔化潛熱；cp為恒壓比熱。

13、優(yōu)選的，所述枝晶生長模型的控制方程為：

14、

15、其中，

16、

17、式中，為所述粉末材料熔化得到的熔體在凝固過程中擴(kuò)散界面的法向量，k為凝固過程中枝晶的溶質(zhì)分配系數(shù)；z為垂直于所述固液界面方向的坐標(biāo)；x、y分別為平行于所述固液界面的平面內(nèi)相互垂直的兩個方向；vp為所述粉末材料熔化后得到的熔體的凝固速度；lt為熱毛細(xì)長度；為所述枝晶生長模型中固態(tài)和液態(tài)之間的相場變量，t為所述粉末材料熔化后得到的熔體的凝固時間；λ為凝固過程中枝晶的溶質(zhì)與所述相場變量的耦合系數(shù)；為相場變量在x方向分量，為相場變量在y方向分量；

18、τ0為弛豫時間，表征由當(dāng)前相場分布狀態(tài)達(dá)到平衡時的相場分布狀態(tài)所經(jīng)歷的時間，w0為所述固液界面的界面厚度，為所述粉末材料的各項異性因子；為反溶質(zhì)截留項；為控制所述固液界面的擴(kuò)散系數(shù)變化的插值函數(shù)，u為無量綱過飽和度，c為實際溶質(zhì)溶度分布，c∞為模擬區(qū)域邊界處的液相中的平衡溶質(zhì)溶度，ds為固相擴(kuò)散系數(shù)，dl為液相擴(kuò)散系數(shù)；

19、d0為所述粉末材料熔化后得到的熔體凝固過程中的化學(xué)毛細(xì)管長度，a1、a2均為常數(shù)；d為所述粉末材料熔化后得到的熔體的擴(kuò)散率；δt為所述粉末材料熔化后得到的熔體在當(dāng)前時刻的溫度；γ為吉布斯-湯姆遜系數(shù)，m為所述粉末材料熔化后得到的熔體的液相線斜率，ε6為所述粉末材料的各項異性強(qiáng)度；g(t)為提取的所述介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)的溫度梯度；

20、為熱梯度方向與枝晶擇優(yōu)生長方向的夾角；為所述固液界面的動力學(xué)系數(shù)，為梯度能系數(shù)；為所述相場變量的梯度；為無量綱過飽和度u的梯度。

21、優(yōu)選的，步驟s104中，根據(jù)不同的工藝參數(shù)組合，計算所述熔池動力學(xué)模型，得到所述成型件介觀尺度下的溫度場；根據(jù)所述成型件介觀尺度下的溫度場，基于不同的掃描策略，計算所述熱流耦合模型，得到所述成型件的殘余模擬應(yīng)力；根據(jù)所述介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計算所述枝晶生長模型，得到所述成型件的屈服模擬強(qiáng)度。

22、優(yōu)選的，步驟s105中，包括：對所述模擬數(shù)據(jù)集中的多組殘余模擬應(yīng)力、屈服模擬強(qiáng)度及其對應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建對所述參數(shù)預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化的歸一化數(shù)據(jù)集；在所述歸一化數(shù)據(jù)集上通過正交遍歷法對所述參數(shù)預(yù)測模型的多個超參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至得到最優(yōu)的超參數(shù)組合后，基于決定系數(shù)r2對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評估。

23、本技術(shù)實施例還提供一種激光床粉末熔融凝固過程中的參數(shù)預(yù)測系統(tǒng)，對不同工藝參數(shù)組合下，通過激光進(jìn)行粉末材料熔融、凝固得到成型件的殘余應(yīng)力和屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，所述預(yù)測系統(tǒng)包括：介觀尺度單元，配置為基于建立的所述粉末材料熔融過程中介觀尺度的熔池動力學(xué)模型，提取介觀熔池的溫度場數(shù)據(jù)和所述介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)；宏觀耦合單元，配置為將所述溫度場數(shù)據(jù)與預(yù)先建立的所述成型件在宏觀尺度的熱流耦合模型進(jìn)行耦合；微觀耦合單元，配置為基于相場法建立凝固過程中微觀尺度的枝晶生長模型，并與提取的所述介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合；數(shù)據(jù)模擬單元，配置為基于所述熔池動力學(xué)模型、所述熱流耦合模型和所述枝晶生長模型，獲取所述粉末材料熔融對應(yīng)的成型件的模擬數(shù)據(jù)集；其中，所述模擬數(shù)據(jù)集中包括多組殘余模擬應(yīng)力、屈服模擬強(qiáng)度及其對應(yīng)的工藝參數(shù)的集合；參數(shù)預(yù)測單元，配置為根據(jù)所述模擬數(shù)據(jù)集，對基于mlp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的參數(shù)預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練并優(yōu)化評估，以對不同工藝參數(shù)組合下所述成型件的殘余應(yīng)力和屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。

24、有益效果：

25、本技術(shù)實施例提供的激光床粉末熔融過程中的參數(shù)預(yù)測方法，用于對不同工藝參數(shù)組合下，通過激光進(jìn)行粉末熔融、凝固得到成型件的殘余應(yīng)力和屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，首先，基于建立的粉末熔融過程中介觀尺度的熔池動力學(xué)模型，提取介觀熔池的溫度場數(shù)據(jù)和介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)；然后，將溫度場數(shù)據(jù)與預(yù)先建立的成型件在宏觀尺度的熱流耦合模型進(jìn)行耦合；同時，基于相場法建立凝固過程中微觀尺度的枝晶生長模型，并與提取的介觀熔池邊緣的單元網(wǎng)格點(diǎn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合；接著，基于熔池動力學(xué)模型、熱流耦合模型和枝晶生長模型，獲取粉末熔融對應(yīng)的成型件的模擬數(shù)據(jù)集；其中，模擬數(shù)據(jù)集中包括多組殘余模擬應(yīng)力、屈服模擬強(qiáng)度及其對應(yīng)的工藝參數(shù)的集合；最后，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)集，對基于mlp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的參數(shù)預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練并優(yōu)化評估，以對不同工藝參數(shù)組合下成型件的殘余應(yīng)力和屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。

26、籍以，有效解決激光粉末床熔融凝固過程中傳熱、傳質(zhì)、微觀組織演化難觀測、內(nèi)部信息易丟失以及質(zhì)量穩(wěn)定性與工藝匹配度低的問題，通過建立多尺度模型并耦合機(jī)器學(xué)習(xí)，對“制造過程-微觀組織-力學(xué)性能”進(jìn)行全面分析和預(yù)測，達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)，實現(xiàn)形性雙控的目的。