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申请/专利权人：西安交通大学

摘要：本发明基于ANSYS的电子束微束增材制造多道多层扫描数值模拟方法，该方法利用ANSYS经典版以及WORKBENCH模块，模拟电子束微束增材制造多道多层扫描过程，以时间为节点，建立电子束微束选区熔化多道多层模型，求解材料接近准稳定状态时的温度场数据，根据传热分析模型的边界条件以及扫描策略，求解实际电子束微束熔化过程中熔覆层对金属材料的影响。通过ANSYS函数编辑器，将设置好的分段函数公式导入编辑器，求解出命令流，结合生死单元，实现热源的逐道以及逐层移动；采用该模拟方法，可研究熔道之间、熔覆层之间的关系，以及制件成形过程的温度史，通过调整熔化参数，可研究不同参数下温度场、应力场的变化规律，为实际打印提供理论支撑。

主权项：1.基于ANSYS的电子束微束增材制造多道多层扫描数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立多道多层熔覆三维模型，通过三维建模软件建立多道多层熔覆所需的三维模型，三维模型包括基板和粉末层；步骤2，添加材料，基板选择为316L不锈钢，粉末层为FeCoNiCrTi0.5高熵合金粉末；采用JmatPro计算得到FeCoNiCrTi0.5高熵合金粉末的密度p、比热容cp、粘度μ表面张力σ和热传导率λ随温度变化的曲线，用Engineeringdata的UDF子程序写入到WORKBENCH的TransientThermal瞬态热分析模块；步骤3，新建电子束微束增材制造数值模拟任务，在WORKBENCH中添加增材制造过程的瞬态热-力耦合模块创建新的模拟任务；步骤4，导入三维模型，在步骤3中建立的瞬态热-力耦合模块中，打开模型几何结构选项，导入步骤1建立好的三维模型；步骤5，基于步骤2设置的材料，将步骤4中导入的三维模型分别赋予基板和粉末层相应的材料；步骤6，网格划分，将粉末层的三维模型和基板的三维模型按照长为X、宽为Y和高为Z三个方向离散为正六面体单元，并细化粉末层的模型网格；步骤7，设置热边界条件，在步骤6的基础上设置粉末与基底之间的热传导，设置初始温度，粉末熔化对环境产生的热辐射，其边界条件还包括在电子束微束加工过程中，基板侧面、除粉床外的上表面以及粉床的上表面与周围环境之间设置热对流；步骤8，添加生死单元，在步骤3中建立的瞬态热-力耦合模块中设置生死单元命令模块，采用生死单元技术实现固体粉末-流体-固体的转换，添加生死单元并赋予给步骤1中建立的每层粉末，并设置单元的生死，在电子束微束熔化模拟过程中，只有被电子束照射到的区域参与熔化过程，而其他区域则被称为“死”单元；在开始前，所有单元都处于“死”状态；随着电子束扫描的进行，不同位置的单元被依次激活，从而参与到熔化过程中；在计算过程中，被激活的单元形成熔覆层，而未被激活的单元则等待下一次激活；步骤9，设置步数，在步骤3中建立的瞬态热-力耦合模块中设置步数，根据生死单元Y方向尺寸和扫描速度设置电子束微束扫过每一个生死单元的时间，每一个生死单元相当于一个步数，每一个步数设置多个时间步进行求解；步骤10，添加热源，基于有限元ANSYS软件模拟电子束微束增材制造多道多层扫描成形过程，其热源类型选择为高斯体热源，利用APDL命令流结合步骤9设置的步数进行添加热源；步骤11，计算求解，在步骤3中建立的瞬态热-力耦合模块中勾选求解程序，选择温度场进行求解，得到温度场模型；步骤12，应力场求解，将步骤11中求解得到的温度场模型导出耦合为力学模型，设定约束边界条件，将步骤7设置热边界条件进行传热分析得到的温度场结果作为边界条件进行热力顺序耦合仿真分析，得到仿真结果，基于仿真结果来优化工艺参数可以有效控制温度场，应力场和变形，提高成形件的尺寸精度。

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百度查询： 西安交通大学 基于ANSYS的电子束微束增材制造多道多层扫描数值模拟方法