[0009] b)如果复杂特征结构件为多层多道：引燃电弧，焊枪沿着第一层第一道堆积路径移动，完成第一层第一道的堆积后，横向移动焊枪，保证第一层第二道堆积路径与第一层第一道堆积路径的间距为S1，S1的取值范围为3.5-8.5mm，然后焊枪沿着第一层第二道堆积路径移动，重复上述过程，继续堆积第一层第三道、第四道，直至第一层堆积结束，第二层所有堆积道相对于第一层所有堆积道整体横向偏移S2，S2＝H·tanβ，H为第一层堆积层高度，0mm
[0010] λ取90°-150°是为了减小作用于堆积道熔池的电弧
力垂直分量。若λ小于90°，电弧力
水平分量与堆积方向相反，阻碍熔池内液体回流，不利于成形；若λ大于150°时，电弧力水平分量太大，会导致熔滴过渡困难。
[0011] S1取值范围为3.5-8.5mm是为了获得平整的堆积层表面。当S1小于3.5mm，相邻堆积道搭接面积过大，堆积层表面易形成凸起，随着后续堆积道的堆积，凸起将不断累积，当S1大于8.5mm，相邻堆积道搭接面积过小，堆积层表面会产生凹坑。
[0012] 步骤二：建立计算热场的有限元模型：在有限元软件中对复杂特征结构件和基板进行几何建模并生成网格；设定结构件和基板材料的热物理性能参数，确定每一道的堆积方向和填充区域，并设置初始条件及
散热边界条件；
[0013] 步骤三：选择广义双椭球热源作为模拟复杂特征结构件堆积过程的热源模型，其前半椭球及后半椭球热流
密度分布公式分别为：
[0014]
[0015]
[0016] 上述公式中，Q为热输入，Q＝ηUI,η为热源效率，U为电弧
电压，I为
电流，ff与fr分别为热输入在前后半椭球的热量分布系数，a，b，c为热源形状参数，其中a为椭球半宽，b为椭球深度，cf与cr分别为前后椭球半轴长，θ、γ、λ分别为焊枪轴线与参考
坐标系X、Y、Z轴的夹角；
[0017] 步骤四：编写广义双椭球热源程序：为实现热源在不同堆积道的运动，通过坐标变换公式保证坐标系原点与堆积道起始点重合，Z轴正方向与堆积方向一致，然后将焊枪轴线与各坐标轴所成的夹角代入步骤三中的广义双椭球热源热流密度分布公式，热源程序编写完成后，生成驱动外部计算文件；
[0018] 步骤五：完成复杂特征结构件热场的计算，验证有限元模型的正确性：设定每道堆积道的计算时间步长并加载边界条件，读取热源驱动外部计算文件，最后提交分析文件，计算完成后，提取基板表面与实验测量相同点的温度变化曲线，将计算获得的温度变化曲线与步骤一中实验获得的数据进行拟合，验证有限元模型的正确性，若拟合误差大于预设值，则对热源形状参数进行调整，直至拟合误差小于预设值。
[0019] 作为优选方式：步骤一中，对于不同堆积层，焊枪在垂直于堆积方向的平面内的投影与基板上表面法线方向的夹角β取值是不同的。
[0020] 作为优选方式，步骤一中，对于不同堆积道，焊枪轴线与堆积方向的夹角λ取值是不同的。
[0021] 作为优选方式，步骤一中焊枪轴线与基板上表面的交点、和焊枪喷嘴末端的距离D的取值范围为8-18mm。D定为8-18mm是因为当D过小时，在电弧起弧处容易产生飞溅，影响堆积过程的
稳定性，当D过大时，则会影响保护气流对电弧的保护作用。
[0022] 作为优选方式，步骤四中的热源程序用Fortran语言编写，生成的驱动外部计算文件格式为.f。
[0023] 与
现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：
[0024] (1)本发明方法为计算复杂特征结构件电弧增材制造热场提供了有效的方法。开发了适用于计算复杂特征结构件堆积过程热场分布的广义双椭球热源模型程序，可对复杂特征结构件电弧增材制造热场进行准确计算。
[0025] (2)本发明方法采用有限元方法计算复杂特征结构件电弧增材制造热场，有效节约了成本，避免了资源浪费。
[0026] (3)本发明方法为将来预测复杂特征结构件电弧增材制造过程中
应力、变形分布，优化复杂特征结构件工艺参数提供了前提条件。
附图说明
[0027] 图1为计算电弧增材制造复杂特征结构件热场的
流程图。
[0028] 图2为多层单道复杂特征结构件电弧增材制造过程焊枪
姿态示意图；其中(a)为焊枪在垂直于堆积方向的平面内的投影示意图，(b)为焊枪与堆积方向的相对位置示意图。
[0029] 图3为多层多道复杂特征结构件电弧增材制造示意图。
[0030] 图4为多层单道复杂特征结构件的几何尺寸示意图。
[0031] 图5为多层单道复杂特征结构件几何模型的网格划分图。
[0032] 图6为编写广义双椭球热源程序的流程图。
[0033] 图7为多层单道复杂特征结构件计算的温度变化曲线与实际测量曲线的比较图。
[0034] 图8为多层单道复杂特征结构件热场的计算结果图。
具体实施方式
[0035] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本
说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0036] 下面结合附图和多层单道、多层多道复杂特征结构件作为优选方案对本发明作进一步详细的描述，但不限定本发明。
[0038] 实施例1中的基板为长200mm，宽110mm，高12mm的Q235
钢板，填充丝材为H08Mn2Si。复杂特征结构件为单道十层结构，每道长150mm。如图4所示，复杂特征结构件与基板上表面最远距离为14mm。堆积层厚度不均匀，最小厚度为7mm，最大厚度为7.8mm。
[0039] 本实施例提供的计算多层单道复杂特征结构件电弧增材制造热场方法主要步骤如图1所示，包括以下几个部分：
[0040] 步骤一：堆积多层单道复杂特征结构件：堆积过程在基板表面上进行，如图2所示，X方向垂直于堆积道的堆积方向，Y方向为基板上表面法线方向，Z方向为堆积方向，焊枪在垂直于堆积方向的平面内的投影与基板上表面法线方向的夹角β为45°，其轴线与堆积方向的夹角λ为90°，堆积开始前移动焊枪，保证焊枪喷嘴末端到焊枪轴线与基板上表面交点的距离为8mm。
[0041] 焊枪姿态调整好以后开始堆积，具体工艺参数如表1。焊枪沿着第一层堆积路径移动，完成第一层的堆积。然后将焊枪沿其轴线方向抬高1.5mm，进行第二层的堆积，重复上述过程直至第十层堆积结束。将热电偶固定在基板上表面紧靠第一层距离起弧点12.5mm处，获得该点的温度变化曲线。
[0042] 表1 堆积工艺参数
[0043]工艺参数 电压 电流 堆积速度 保护气体 气流量
数值 19V 150A 5mm/s 95％Ar+5％CO2 18L/min
[0044] 步骤二：建立计算热场的有限元模型：在MSC.Marc有限元软件中建立基板和多层单道复杂特征结构件的几何模型。基板与结构件几何参数均与实验结果保持一致。如图5所示，模型采用八
节点六面体单元进行划分，离堆积中心越远网格越稀疏，堆积层与基板上距离堆积中心最近处网格最小，约为0.5-1.6mm。划分完毕后模型总节点数为22334，总单元数为18100。
[0045] 在Material Properties前处理模
块中设定基板和结构件的材料热物理参数，其中熔点为1425℃，密度为7.8×103g/mm3，泊松比为0.28，
比热容及热导率取值随温度的变化而变化，分别如表2、表3所示。在Modeling Tools前处理模块中设定每一道的堆积方向以及填充区域，堆积道有限元单元在堆积开始前全部被杀死，堆积开始后逐步被激活。
[0047]
[0048] 表3 热导率
[0049]
[0050] 在Initial Conditions前处理模块中将模型上所有节点初始温度设置为25℃。基板与多层单道复杂特征结构件主要以
对流和
辐射两种方式散热，在Boundary Conditions中将散热边界条件设置为复合散热系数：
[0051]
[0052] 上述公式中，α为复合散热系数，εem为物体表面发射率，σbol为玻尔兹曼常数，T为温度变量，Tamb为
环境温度，αcon为对流散热系数；
[0053] 步骤三：选择广义双椭球热源作为模拟多层单道复杂特征结构件堆积过程的热源模型：其前半椭球及后半椭球热流密度分布公式分别为：
[0054]
[0055]
[0056] 上述公式中，Q为热输入，Q＝ηUI,η为热源效率，U为电弧电压，I为电流，ff与fr分别为热输入在前后半椭球的热量分布系数，a，b，c为热源形状参数，其中a为椭球半宽，b为椭球深度，cf与cr分别为前后椭球半轴长，θ、γ、λ分别为焊枪轴线与参考坐标系X、Y、Z轴的夹角；
有限元分析中热源参数取值如表4所示。
[0057] 表4 热源参数
[0058]热源参数 Q(kW) η a(mm) b(mm) cf(mm) cr(mm) θ γ λ
数值 320 0.85 3.4 3.8 2.5 7.5 45° 45° 90°
[0059] 步骤四：编写广义双椭球热源程序：如图6所示，在Microsoft Visual 2010中用Fortran语言编写广义双椭球热源程序，首先输入热源形状参数、堆积速度等常量，定义循环次数、时间变量，若时间变量在堆积时间内，则提取当前堆积道起始点坐标，利用坐标变换公式保证坐标系原点与堆积道起始点重合，Z轴正方向与堆积方向一致，转换完成后将焊枪轴线与各坐标轴所成的夹角代入步骤三中的广义双椭球热源热流密度分布公式，热源程序编写完成后，生成驱动外部计算文件.f。
[0060] 步骤五：完成多层单道复杂特征结构件热场的计算，验证有限元模型的正确性：每层堆积层包括加热、冷却两个阶段，在Loadcases分析模块中设定每个阶段的时间步长和需要加载的边界条件，冷却阶段无需加载热源。在Jobs分析模块中创建工作，通过用户子程序读取热源驱动外部计算文件.f，最后提交分析文件。计算完成后，提取计算得到的与步骤一中实验测量相同点的温度变化曲线，将两组数据进行拟合，若拟合误差大于预设值，则对热源形状参数进行调整，直至拟合误差小于预设值，最终拟合结果如图7所示，有限元模型的正确性得到验证。图8为热源位于第十层终点时多层单道复杂特征结构件的热场图。
[0061] 实施例2
[0062] 实施例2中的基板为长200mm，宽110mm，高12mm的Q235钢板，填充丝材为H08Mn2Si。复杂特征结构件为四道三层结构，每道长150mm。
[0063] 本实施例提供的计算多层多道复杂特征结构件电弧增材制造热场方法主要包括以下几个部分：
[0064] 步骤一：堆积多层多道复杂特征结构件：堆积过程在基板表面进行，焊枪在垂直于堆积方向的平面内的投影与基板上表面法线方向的夹角为β，β取值范围为0°-78°，焊枪轴线与堆积方向的夹角为λ，λ的取值范围为90°-150°，堆积开始前，移动焊枪并保证：焊枪轴线与基板上表面的交点、和焊枪喷嘴末端的距离为D。
[0065] 焊枪姿态调整好以后引燃电弧，焊枪沿着第一层第一道堆积路径移动，完成第一层第一道的堆积后，横向移动焊枪，保证第一层第二道堆积路径与第一层第一道堆积路径的间距为S1，S1的取值范围为3.5-8.5mm，然后焊枪沿着第一层第二道堆积路径移动，重复上述过程，继续堆积第一层第三道、第四道，直至第一层堆积结束，第二层所有堆积道相对于第一层所有堆积道整体横向偏移S2，S2＝H·tanβ，H为第一层堆积层高度，0mm
[0066] 步骤二：建立计算热场的有限元模型：在有限元软件中对多层多道复杂特征结构件和基板进行几何建模并生成网格；设定结构件和基板的材料热物理性能参数，确定每一道的堆积方向和填充区域，并设置初始条件及散热边界条件；
[0067] 步骤三：选择广义双椭球热源作为模拟多层多道复杂特征结构件堆积过程的热源模型，其前半椭球及后半椭球热流密度分布公式分别为：
[0068]
[0069]
[0070] 上述公式中，Q为热输入，Q＝ηUI,η为热源效率，U为电弧电压，I为电流，ff与fr分别为热输入在前后半椭球的热量分布系数，a，b，c为热源形状参数，其中a为椭球半宽，b为椭球深度，cf与cr分别为前后椭球半轴长，θ、γ、λ分别为焊枪轴线与参考坐标系X、Y、Z轴的夹角；
[0071] 步骤四：编写广义双椭球热源程序：为实现热源在不同堆积道的运动，通过坐标变换公式保证坐标系原点与堆积道起始点重合，Z轴正方向与堆积方向一致，然后将焊枪轴线与各坐标轴所成的夹角代入步骤三中的广义双椭球热源热流密度分布公式，热源程序编写完成后，生成驱动外部计算文件；
[0072] 步骤五：完成多层多道复杂特征结构件热场的计算，验证有限元模型的正确性：设定每道堆积道的计算时间步长并加载边界条件，读取热源驱动外部计算文件，最后提交分析文件，计算完成后，提取基板表面与实验测量相同点的温度变化曲线，将计算获得的温度变化曲线与步骤一中实验获得的数据进行拟合，验证有限元模型的正确性，若拟合误差大，则对热源形状参数进行调整，直至拟合误差小于预设值。
[0073] 优选的，对于不同堆积层，焊枪在垂直于堆积方向的平面内的投影与基板上表面法线方向的夹角β取值是不同的。
[0074] 优选的，对于不同堆积道，焊枪轴线与堆积方向的夹角λ取值是不同的。
[0075] 优选的，步骤一中焊枪轴线与基板上表面的交点、和焊枪喷嘴末端的距离D的取值范围为8-18mm。D定为8-18mm是因为当D过小时，在电弧起弧处容易产生飞溅，影响堆积过程的稳定性，当D过大时，则会影响保护气流对电弧的保护作用。
[0076] 优选的，步骤四中的热源程序用Fortran语言编写，生成的驱动外部计算文件格式为.f。
[0077] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的
权利要求所涵盖。
