近年來,增材制造 (AM) 因其制造和修復(fù)具有復(fù)雜幾何形狀的產(chǎn)品的能力而受到越來越多的關(guān)注。它為許多領(lǐng)域提供了獨特的設(shè)計自由度,例如航空航天、醫(yī)療和汽車行業(yè) ,僅舉幾例。然而,盡管該技術(shù)具有通用性優(yōu)勢,但在控制缺陷方面常常存在困難,例如孔隙率、表面粗糙度和不良微觀結(jié)構(gòu)。要制造無缺陷零件并提高其機械性能,深入了解工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系至關(guān)重要,而高保真度數(shù)值模擬方法無疑是解決該問題的有力工具。
近期,廉艷平教授課題組(方岱寧院士團隊)針對金屬增材制造過程中的“熱-流”耦合問題,提出了一種新的高效、高保真數(shù)值模擬算法:局部多網(wǎng)格有限體積法(local multi-mesh finite volume method)。按照疊加求精法有效地求解增材制造過程。該方法充分考慮了增材制造問題的兩個物理特征。一是復(fù)雜的相變和界面演化問題僅存在于隨熱源移動的局部區(qū)域內(nèi),其中熱對流主導(dǎo)傳熱。另一種是宏觀導(dǎo)熱機制主導(dǎo)遠(yuǎn)離熔池區(qū)域的傳熱?;谶@些特點,在所提出的方法中,使用粗網(wǎng)格(以下簡稱基網(wǎng)格)求解溫度場,忽略熔池流動。請注意,具有粗基網(wǎng)格的 FVM 在求解遠(yuǎn)離熔池區(qū)域的宏觀熱場時具有足夠的精度。同時,將更精細(xì)的覆蓋網(wǎng)格動態(tài)疊加到粗糙的基礎(chǔ)網(wǎng)格上,以解決熔池內(nèi)部和附近的傳熱和流體流動問題。較細(xì)的覆蓋網(wǎng)可隨熱源移動,稱為移動覆蓋網(wǎng)。因此,提出了一種接口耦合方案來處理基礎(chǔ)網(wǎng)格和移動覆蓋網(wǎng)格的兼容性,其中不需要接口 Dirichlet-Neumann 迭代。這樣,所提出的方法結(jié)合了上述宏觀模型和細(xì)觀模型在效率和準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢,其中計算資源主要分配給重要區(qū)域。
圖1 金屬增材制造過程的高效高保真局部多網(wǎng)格有限體積法
該算法基于疊加細(xì)化的思想,采用一套移動精細(xì)網(wǎng)格跟蹤熱源,并對熔池內(nèi)的流動、傳熱、相變過程進行精細(xì)求解,同時采用一套基網(wǎng)格對遠(yuǎn)離熔池的大尺寸區(qū)域進行溫度場求解,在兩套網(wǎng)格之間建立了高效的溫度Dirichlet耦合方法。同時,建立了兩套網(wǎng)格中離散元方法與有限體積法的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化技術(shù),以及高穩(wěn)定性的熱源施加方案。算法通過一系列算例測試,包括激光掃描基板、激光單層、多層鋪粉熔覆問題等,與解析解、實驗結(jié)果符合良好,證明算法具有高精度;計算效率測試結(jié)果表明,相比于均勻網(wǎng)格的有限體積法,算法能夠在保證精度的前提下,將計算效率提高16~50倍。該算法有利于實現(xiàn)金屬增材制造問題的大規(guī)模、高效、高保真分析,以及相應(yīng)的物理機理揭示和工藝參數(shù)優(yōu)化研究。
相關(guān)成果以“An efficient and high-fidelity local multi-mesh finite volume method for heat transfer and fluid flow problems in metal additive manufacturing”為題,發(fā)表在計算力學(xué)頂級期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》 上。
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