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金属 增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法

阅读：265发布：2020-08-09

专利汇可以提供金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，该方法包括以下步骤：S1，建立金属增材制造工艺数据模型；S2，在微观尺度上，通过第一性原理计算软件开展第一性原理计算，获取增材金属材料的微观物理性质；S3，建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算；S4，在介观尺度上，对电子束或者激光加热金属粉末熔化过程中产生的等离子进行研究；S5，利用流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台进行仿真计算；S6，建立针对不同缺陷种类及分布情况的工艺参数反馈控制模型，优化金属增材制造工艺参数。本发明通过多尺度多物理场耦合仿真的手段，形成宏微观一体化的金属增材制造产品质量预测体系。，下面是金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，用于对金属增材制造过程中产生的显微组织演化、冶金缺陷的形成与发展、加工气体成分影响机制、金属粉末颗粒溅射以及残余应力与变形进行多尺度多物理场耦合仿真模拟，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，通过动态数据建模的方式，建立金属增材制造工艺数据模型，其中包括增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库；
S2，在微观尺度上，基于量子力学理论，通过第一性原理计算软件开展第一性原理计算，获取增材金属材料的微观物理性质；
S3，基于第一性原理计算结果，建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，进一步采用分子动力学理论，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，获取金属的熔化、汽化和凝固相变特性，获取加工气体成分影响机制，以及获取孔洞、裂纹、残余应力与变形这些微观缺陷特征；
S4，在介观尺度上，基于等离子体理论和PIC 算法，对电子束或者激光加热金属粉末熔化过程中产生的等离子进行研究，获取等离子体的电子能量、惯性聚变能、等离子体加速效应及其产生的影响机制；
S5，在宏观尺度上，采用三维几何建模软件创建金属增材制造三维几何模型，使用有限元网格划分软件划分有限元网格；利用流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台，模拟增材制造过程中的流场、温度场、磁场、应力场和结构变形特性，研究金属材料的熔化与凝固、金属粉末颗粒的溅射、孔洞和裂纹的形成与发展以及残余应力与变形情况；
S6，基于多尺度多物理场耦合仿真结果，对金属增材制造过程中的孔洞、裂纹、残余应力与变形这些缺陷进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立针对不同缺陷种类及分布情况的工艺参数反馈控制模型，优化金属增材制造工艺参数。
2.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述增材材料数据库中包括增材金属的材料参数以及微观金属晶体结构；所述工艺参数数据库中包括能量源种类、能量源功率、金属粉末质量、铺粉厚度、扫描路径、扫描速率、保护气体、基底温度以及冷却速率；所述设备技术参数数据库中包括加工成形腔尺寸、成形精度以及成形效率。
3.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：从增材金属材料的微观物理性质出发，通过第一性原理计算软件，获得增材金属材料在高温作用下的特征参数，所述特征参数包括晶格常数、体弹性模量、电子密度分布和能带结构中的一个或多个参数，阐明材料结构与性能的关系，研究增材金属材料在加热熔化过程中的热动力学性质，所述热动力学性质包括线性热膨胀系数和热容。
4.如权利要求3所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，对金属材料在加热熔化过程中的平衡熔点、热状态方程、熔化曲线、相变过程中的熔化体积和熔化熵、固液界面能以及降温冷却后形成的微观形貌、孔隙与裂纹进行量化分析；建立金属增材制造微观气体成分模型，研究加工过程中气体成分对成形质量的影响。
5.如权利要求4所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S3还包括：基于所述步骤S2中获得的增材金属材料的特征参数，对分子动力学仿真中的描述原子与原子间相互作用的势函数进行优化，从而提高分子动力学仿真的精度。
6.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S4中，基于PIC算法将金属熔化过程中的等离子作为通过电磁场相互作用的颗粒模型，并通过以下方法对电子束或者激光加热金属产生的等离子体进行研究，分析等离子体效应的微观作用机制：首先，通过在网格上进行插值计算对颗粒数量、电荷、电流密度等颗粒源信息进行设置；其次，基于电流密度等信息，通过求解麦克斯韦方程获得电场、磁场信息；最后，基于牛顿第二定律和洛伦兹力，对颗粒在电磁场中的运动进行追踪。
7.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S5中，对宏观金属增材制造的三维几何建模和有限元网格划分是根据增材制造工艺方法、工艺参数、增材金属材料属性以及增材金属粉末颗粒参数来进行的；所述流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台是基于步骤S2的第一性原理计算和步骤S3的分子动力学仿真得到的材料本构关系进行开发的。
8.如权利要求7所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台的计算方法如下：
在流体计算中，基于连续介质计算流体力学控制方程，建立金属粉末高温熔化模型，并对金属熔化和凝固相变过程中各相的质量、能量源项进行修正，设置仿真边界条件，研究金属熔化温度、熔池流动状态；
在热计算中，建立针对不同能量源的能量转化模型，研究能量源与金属粉末间的能量转化效率；建立热传递模型，研究流体域、固体域内部及相互间的换热系数与热流密度；
在结构动力学计算中，基于瞬态结构动力学控制方程，建立金属粉末颗粒在高能量束加热情况下的溅射现象，研究金属粉末溅射对增材制造产品质量的影响机理和规律；建立熔融金属冷凝过程中的应力应变模型，研究不同冷却速度、温度梯度工况下，金属增材制造产品的孔洞、裂纹缺陷的分布，残余应力与变形情况；
在磁场计算中，基于麦克斯韦方程，建立高温作用下金属粉末在磁场中的运动特性，通过对金属粉末施加强磁场作用，降低高温作用下金属粉末的溅射，从而提高金属增材制造产品的微观组织形貌和性能。
9.如权利要求1所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括：研究金属增材制造工艺参数对孔隙、裂纹、应力应变三类缺陷的影响规律，建立多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，基于多工艺参数与缺陷特征的的量化关联模型，建立金属增材制造缺陷控制反馈调节模型，优化金属增材制造可控工艺参数。
10.如权利要求9所述的金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S6还包括：根据多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，进一步优化增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库。

说明书全文

金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法。

背景技术

[0002] 金属增材制造技术是一种逐层增加材料而形成三维复杂结构零件的制造方法，具体分为同步送粉（送丝）激光（电子束、电弧等）熔覆成形技术和激光（电子束）选区熔化的粉末床成形技术两大类。1995年起，美国国防部先进研究计划署和海军研究办公室对该技术开展了一系列研究，计划使其在几年内实现工程化。然而，受限于当时激光器稳定性、控制系统技术水平等关键技术问题，金属增材制造技术一直未能实现工业化应用。最近，随着德国工业4.0、美国制造业创新网络、中国制造2025等工业发展战略概念的提出，金属增材制造技术进入高速发展期。

[0003] 金属增材制造技术有望解决航空、航天等高端技术领域对钛合金、镍基合金、高强铝合金、特殊合金钢等金属材料大型关键构件的轻质、高效和高可靠性的需求。当前，金属增材制造在制造环境及微观结构可控性、缺陷形成及演化机理、残余应力控制及变形开裂预防、疲劳寿命、技术标准体系等方面遇到技术瓶颈，导致金属增材制造的应用领域受限。

[0004] 金属增材制造过程“材料物理冶金”和“材料热物理”等材料科学基础问题的研究，是解决高性能大型金属构件增材制造过程中“热应力控制和变形开裂预防”及构件“内部质量和力学性能控制”等瓶颈的重要手段。金属增材制造材料基础问题实验研究方面，美国、德国等多家机构研究了钛合金、镍基高温合金、不锈钢、合金钢等高性能难熔金属构件激光增材制造技术。国内多家高校和研究院所对TC4等钛合金、IN718等镍基高温合金、NiTi合金以及Ti/Ni梯度材料等进行了大量激光增材制造工艺、组织结构和性能的实验研究与应用。

[0005] 目前，金属增材制造的优化仍处于试错试验研究阶段，从资金和时间成本上限制了金属增材制造技术的快速发展与应用。同时，由于高性能金属增材制造过程中冶金缺陷的形成与发展机理、以及应力应变演化等方面的研究缺少可靠的实验技术和手段，开展金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真研究，能够有效地揭示熔池状态变化、冶金缺陷的形成与发展机理、材料组织演化与结构变形的耦合机制，实现材料-工艺-缺陷演变-性能的精准形性调控，提高金属增材制造产品的质量、性能和寿命。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是针对现有金属增材制造技术的不足，提出一种能够揭示增材制造过程中显微组织演化规律、冶金缺陷的形成与发展机理、残余应力与变形以及精确控形控性机制的多尺度多物理场耦合仿真方法，建立材料-工艺-缺陷演变-性能的金属增材制造精准预测模型。

[0007] 本发明是这样实现的：本发明提供一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，用于对金属增材制造过程中产生的显微组织演化、冶金缺陷的形成与发展、加工气体成分影响机制、金属粉末颗粒溅射以及残余应力与变形进行多尺度多物理场耦合仿真模拟，该方法包括以下步骤：
S1，通过动态数据建模的方式，建立金属增材制造工艺数据模型，其中包括增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库；
S2，在微观尺度上，基于量子力学理论，通过第一性原理计算软件开展第一性原理计算，获取增材金属材料的微观物理性质；
S3，基于第一性原理计算结果，建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，进一步采用分子动力学理论，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，获取金属的熔化、汽化和凝固相变特性，获取加工气体成分影响机制，以及获取孔洞、裂纹、残余应力与变形这些微观缺陷特征；
S4，在介观尺度上，基于等离子体理论和PIC 算法，对电子束或者激光加热金属粉末熔化过程中产生的等离子进行研究，获取等离子体的电子能量、惯性聚变能、等离子体加速效应及其产生的影响机制；
S5，在宏观尺度上，采用三维几何建模软件创建金属增材制造三维几何模型，使用有限元网格划分软件划分有限元网格；利用流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台，模拟增材制造过程中的流场、温度场、磁场、应力场和结构变形特性，研究金属材料的熔化与凝固、金属粉末颗粒的溅射、孔洞和裂纹的形成与发展以及残余应力与变形情况；
S6，基于多尺度多物理场耦合仿真结果，对金属增材制造过程中的孔洞、裂纹、残余应力与变形这些缺陷进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立针对不同缺陷种类及分布情况的工艺参数反馈控制模型，优化金属增材制造工艺参数。

[0008] 进一步地，所述步骤S1中，所述增材材料数据库中包括增材金属的材料参数以及微观金属晶体结构；所述工艺参数数据库中包括能量源种类、能量源功率、金属粉末质量、铺粉厚度、扫描路径、扫描速率、保护气体、基底温度以及冷却速率；所述设备技术参数数据库中包括加工成形腔尺寸、成形精度以及成形效率。

[0009] 进一步地，所述步骤S2具体包括：从增材金属材料的微观物理性质出发，通过第一性原理计算软件，获得增材金属材料在高温作用下的特征参数，所述特征参数包括晶格常数、体弹性模量、电子密度分布和能带结构中的一个或多个参数，阐明材料结构与性能的关系，研究增材金属材料在加热熔化过程中的热动力学性质，所述热动力学性质包括线性热膨胀系数和热容。

[0010] 进一步地，所述步骤S3具体包括：建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，对金属材料在加热熔化过程中的平衡熔点、热状态方程、熔化曲线、相变过程中的熔化体积和熔化熵、固液界面能以及降温冷却后形成的微观形貌、孔隙与裂纹进行量化分析；建立金属增材制造微观气体成分模型，研究加工过程中气体成分对成形质量的影响。

[0011] 进一步地，所述步骤S3还包括：基于所述步骤S2中获得的增材金属材料的特征参数，对分子动力学仿真中的描述原子与原子间相互作用的势函数进行优化，从而提高分子动力学仿真的精度。

[0012] 进一步地，所述步骤S4中，基于PIC算法将金属熔化过程中的等离子作为通过电磁场相互作用的颗粒模型，并通过以下方法对电子束或者激光加热金属产生的等离子体进行研究，分析等离子体产生的原理及其影响机制：首先，通过在网格上进行插值计算对颗粒数量、电荷、电流密度等颗粒源信息进行设置；其次，基于电流密度等信息，通过求解麦克斯韦方程获得电场、磁场信息；最后，基于牛顿第二定律和洛伦兹力，对颗粒在电磁场中的运动进行追踪。

[0013] 进一步地，所述步骤S5中，对宏观金属增材制造的三维几何建模和有限元网格划分是根据增材制造工艺方法、工艺参数、增材金属材料属性以及增材金属粉末颗粒参数来进行的；所述流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台是基于步骤S2的第一性原理计算和步骤S3的分子动力学仿真得到的材料本构关系进行开发的。

[0014] 进一步地，所述流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台的计算方法如下：在流体计算中，基于连续介质计算流体力学控制方程，建立金属粉末高温熔化模型，并对金属熔化和凝固相变过程中各相的质量、能量源项进行修正，设置仿真边界条件，研究金属熔化温度、熔池流动状态；
在热计算中，建立针对不同能量源的能量转化模型，研究能量源与金属粉末间的能量转化效率；建立热传递模型，研究流体域、固体域内部及相互间的换热系数与热流密度；
在结构动力学计算中，基于瞬态结构动力学控制方程，建立金属粉末颗粒在高能量束加热情况下的溅射现象，研究金属粉末溅射对增材制造产品质量的影响机理和规律；建立熔融金属冷凝过程中的应力应变模型，研究不同冷却速度、温度梯度工况下，金属增材制造产品的孔洞、裂纹缺陷的分布，残余应力与变形情况；
在磁场计算中，基于麦克斯韦方程，建立高温作用下金属粉末在磁场中的运动特性，通过对金属粉末施加强磁场作用，降低高温作用下金属粉末的溅射，从而提高金属增材制造产品的微观组织形貌和性能。

[0015] 进一步地，所述步骤S6具体包括：研究金属增材制造工艺参数对孔隙、裂纹、应力应变三类缺陷的影响规律，建立多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，基于多工艺参数与缺陷特征的的量化关联模型，建立金属增材制造缺陷控制反馈调节模型，优化金属增材制造可控工艺参数。

[0016] 进一步地，所述步骤S6还包括：根据多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，进一步优化增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明从金属材料的微观物理性质出发，研究增材制造金属材料的热动力学特性，通过多尺度多物理场耦合仿真的手段，模拟金属增材制造过程中显微组织演化、冶金缺陷的形成与发展、加工气体成分影响机制、金属粉末颗粒溅射、以及残余应力与结构变形等，形成宏微观一体化的金属增材制造产品质量预测体系。本发明方法能够有效地优化金属增材制造加工工艺参数，降低试错试验成本，提高金属增材制造成形效率、精度及性能等。
附图说明

[0018] 图1为本发明实施例提供的一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法的流程图；图2为本发明实施例提供的一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法的数据交互与系统框架图；
图3为本发明实施例提供的一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法的多尺度建模方法。

具体实施方式

[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 如图1和图2所示，本发明实施例提供一种金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法，用于对金属增材制造过程中产生的显微组织演化、冶金缺陷的形成与发展、加工气体成分影响机制、金属粉末颗粒溅射以及残余应力与变形进行多尺度多物理场耦合仿真模拟，该方法包括以下步骤：S1，通过动态数据建模的方式，建立金属增材制造工艺数据模型，其中包括增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库等；
S2，在微观尺度上，基于量子力学理论，通过第一性原理计算软件开展第一性原理计算，获取增材金属材料的微观物理性质；
S3，基于第一性原理计算结果，建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，进一步采用分子动力学理论，通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，获取金属的熔化、汽化和凝固相变特性，获取加工气体成分影响机制，以及获取孔洞、裂纹、残余应力与变形这些微观缺陷特征；
S4，在介观尺度上，基于等离子体理论和PIC（Particle-in-cell）算法，对电子束或者激光加热金属粉末熔化过程中产生的等离子进行研究，获取等离子体的电子能量、惯性聚变能、等离子体加速效应及其产生的影响机制；
S5，在宏观尺度上，采用三维几何建模软件创建金属增材制造三维几何模型，使用有限元网格划分软件划分有限元网格；利用流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台，模拟增材制造过程中的流场、温度场、磁场、应力场和结构变形特性，研究金属材料的熔化与凝固、金属粉末颗粒的溅射、孔洞和裂纹的形成与发展以及残余应力与变形情况；
S6，基于多尺度多物理场耦合仿真结果，对金属增材制造过程中的孔洞、裂纹、残余应力与变形这些缺陷进行定性、定量分析，并进行分类与归纳整理；建立针对不同缺陷种类及分布情况的工艺参数反馈控制模型，优化金属增材制造工艺参数。

[0021] 针对典型的激光或者电子束选区加热金属熔化增材制造技术，金属粉末在高强能量束加热下熔化，伴随金属等离子体和蒸汽挥发现象，在金属粉床表面形成微小的金属熔池；同时，金属粉末在高强能量束瞬时作用下发生溅射现象；随着熔融金属逐渐冷却，形成连续的金属结构，从而实现金属增材制造的目标。这个过程中涉及复杂的热传递、微观组织转变、微观应力与变形、金属粉末溅射等物理过程，导致金属增材制造产品非常容易受到加工环境、工艺参数等影响，出现孔洞、裂纹、应力与变形等缺陷。

[0022] 进一步地，所述步骤S1中，所述增材材料数据库中包括增材金属的材料参数以及微观金属晶体结构等；所述工艺参数数据库中包括能量源种类、能量源功率、金属粉末质量、铺粉厚度、扫描路径、扫描速率、保护气体、基底温度以及冷却速率等，其中激光能源种类包括激光和电子束，金属增材制造加工工艺参数对产品质量起着决定性作用，针对不同金属材料和成形要求的零件，须采用特定的加工工艺参数；所述设备技术参数数据库中包括加工成形腔尺寸、成形精度以及成形效率等。

[0023] 进一步地，所述步骤S2具体包括：从增材金属材料的微观物理性质出发，采用第一性原理计算软件，例如VASP软件，基于密度泛函理论平面波赝势方法，通过缀加投影波方法（Projector-augmented wave method, PAW）描述离子实和价电子之间的相互作用，应用广义梯度近似（GGA）的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）方案处理电子间相互作用的交换关联能；设置倒易空间中的平面波截断能；几何优化和态密度在对全布里渊区内的积分计算采用k点Monkorst-Park网格方案；结构优化过程中，设置满足计算精度要求的能量收敛标准和原子间相互作用力收敛标准，通过第一性原理计算获得增材金属材料在高温作用下的特征参数，所述特征参数包括晶格常数、体弹性模量、电子密度分布和能带结构中的一个或多个参数，阐明材料结构与性能的关系，研究增材金属材料在加热熔化过程中的热动力学性质，所述热动力学性质包括线性热膨胀系数和热容。

[0024] 进一步地，所述步骤S3具体包括：建立增材金属材料的N×N×N超晶胞模型，设置周期性边界条件，在选定的系综（NVE, NVT, NPT）下，系统被逐步加热直到熔化，然后熔化的金属被逐步降温直到晶化；采用Velocity-Verlet算法求解牛顿运动方程，设置计算时间步长和总模拟时间。通过分子动力学仿真软件开展分子动力学仿真计算，例如LAMMPS软件，对金属材料在加热熔化过程中的平衡熔点、热状态方程、熔化曲线、相变过程中的熔化体积和熔化熵、固液界面能以及降温冷却后形成的微观形貌、孔隙与裂纹进行量化分析；建立金属增材制造微观气体成分模型，研究加工过程中气体成分对成形质量的影响。

[0025] 优选地，所述步骤S3还包括：基于所述步骤S2中获得的增材金属材料的特征参数，对分子动力学仿真中的描述原子与原子间相互作用的势函数进行优化，从而提高分子动力学仿真的精度。

[0026] 进一步地，所述步骤S4中，建立金属熔化过程中的等离子体效应模型，基于PIC算法将金属熔化过程中的等离子作为通过电磁场相互作用的颗粒模型，并通过以下方法对电子束或者激光加热金属产生的等离子体进行研究：首先，通过在网格上进行插值计算对颗粒数量、电荷、电流密度等颗粒源信息进行设置；其次，基于电流密度等信息，通过求解麦克斯韦方程获得电场、磁场信息；最后，基于牛顿第二定律和洛伦兹力，对颗粒在电磁场中的运动进行追踪。

[0027] 进一步地，所述步骤S5中，可以采用SolidWorks几何建模软件创建金属增材制造三维几何模型，使用Gambit软件划分有限元网格，对宏观金属增材制造的三维几何建模和有限元网格划分是根据增材制造工艺方法、工艺参数、增材金属材料属性以及增材金属粉末颗粒参数来进行的；所述流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台是基于步骤S2的第一性原理计算和步骤S3的分子动力学仿真得到的材料本构关系进行开发的。

[0028] 进一步地，本发明自主开发的所述流-热-固-磁多物理场耦合仿真平台的计算方法如下：在流体计算中，基于连续介质计算流体力学控制方程，建立金属粉末高温熔化模型，并对金属熔化和凝固相变过程中各相的质量、能量源项进行修正，设置仿真边界条件，研究金属熔化温度、熔池流动状态；
在热计算中，建立针对不同能量源的能量转化模型，研究能量源与金属粉末间的能量转化效率；建立热传递模型，研究流体域、固体域内部及相互间的换热系数与热流密度；
在结构动力学计算中，基于瞬态结构动力学控制方程，建立金属粉末颗粒在高能量束加热情况下的溅射现象，研究金属粉末溅射对增材制造产品质量的影响机理和规律；建立熔融金属冷凝过程中的应力应变模型，研究不同冷却速度、温度梯度工况下，金属增材制造产品的孔洞、裂纹缺陷的分布，残余应力与变形情况；
在磁场计算中，基于麦克斯韦方程，建立高温作用下金属粉末在磁场中的运动特性，通过对金属粉末施加强磁场作用，降低高温作用下金属粉末的溅射，从而提高金属增材制造产品的微观组织形貌和性能。

[0029] 进一步地，所述步骤S6具体包括：将金属增材制造的缺陷分为孔隙、裂纹和应力应变三类，研究不同材料粉末颗粒尺寸、内部杂质含量、激光能量密度、扫描路径及扫描速率这些工艺参数对孔隙、裂纹、应力应变三类缺陷的影响规律，建立多工艺参数与缺陷特征的量化关联模型，进一步优化增材材料数据库、工艺方法数据库、工艺参数数据库、设备技术参数数据库、工艺标准规范数据库和缺陷诊断数据库；基于多工艺参数与缺陷特征的的量化关联模型，将多尺度多物理场耦合仿真计算得到的孔隙率、孔洞大小、裂纹长度、残余应力等结果与期望值进行比较，建立金属增材制造缺陷控制反馈调节模型，优化金属增材制造可控工艺参数。

[0030] 进一步地，如图3所示，本发明的步骤S2-S5的执行顺序并不限于从S2到S5依次执行，其顺序是可以改变的，且多个步骤可以同时进行，从而结合第一性原理、分子动力学和宏观多物理场耦合仿真实现自下而上或者自上而下或者上下同步的多尺度多物理场耦合建模与仿真分析。基于量子力学第一性原理计算和分子动力学仿真获得的金属材料的本构关系，对宏观有限元仿真控制方程进行修正；结合实际工况和宏观有限元仿真结果，为微观第一性原理计算和分子动力学计算提供边界条件。在此基础上，开发多尺度数据交互算法，实现金属增材制造上下同步的多尺度多物理场耦合建模仿真。

[0031] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法

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