基于自定義材料參數(shù)調(diào)試的熔池尺寸分析

來(lái)源：Ansys中國(guó)

眾所周知，針對(duì)新材料或自研材料的工藝調(diào)試往往需要大量的試驗(yàn)。為了取得最佳的工藝參數(shù)，不同的掃描策略需要逐個(gè)測(cè)試，整個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的人力物力。針對(duì)增材制造工藝優(yōu)化而推出的Ansys Additive Science模塊，在最新版本Ansys 2020 R2再次升級(jí)為用戶帶來(lái)新材料開發(fā)的功能，旨在幫助用戶通過(guò)少量試驗(yàn)數(shù)據(jù)并借助仿真快速得到最佳工藝參數(shù)，并優(yōu)化過(guò)程仿真結(jié)果。

Ansys Additive Science增材工藝仿真分析模塊，提供了熔池尺寸分析、成形材料孔隙率預(yù)測(cè)、微觀組織預(yù)測(cè)及零件尺度的溫度歷史預(yù)測(cè)等功能，是目前市場(chǎng)唯一的可以進(jìn)行微觀尺度成形材料分析的增材工藝仿真工具，是企業(yè)、科研院所進(jìn)行金屬增材制造工藝參數(shù)優(yōu)化、組織性能仿真預(yù)測(cè)、成形零件質(zhì)量預(yù)測(cè)的專業(yè)工具。最新的Ansys 2020 R2版本中，新增可對(duì)自定義材料進(jìn)行參數(shù)調(diào)試的功能，大大拓展了模塊可分析材料范圍。本文將展示自定義材料參數(shù)調(diào)試流程，并對(duì)參數(shù)調(diào)試后的自定義材料進(jìn)行熔池尺寸計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，自定義常規(guī)材料經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)試后，熔池尺寸計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)上一致，數(shù)值偏差在10%之內(nèi)。

自定義材料參數(shù)調(diào)試流程
Ansys Additive Science金屬增材工藝仿真模塊，在進(jìn)行熔池尺寸分析、孔隙率預(yù)測(cè)、溫度歷史預(yù)測(cè)等計(jì)算時(shí)，激光吸收系數(shù)與能量穿透深度決定了計(jì)算結(jié)果的精度，由于不同材料、不同粉末粒徑分布的激光吸收系數(shù)及能量穿透深度均不同，因此想要得到精度更高的計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)材料的激光吸收系數(shù)及能量穿透深度進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)調(diào)試，下圖為Ansys Additive Science自定義材料參數(shù)調(diào)試的基本流程。

△圖1 自定義材料參數(shù)調(diào)試流程

第一步：用戶需按格式要求提前準(zhǔn)備好如下文件：

1）熔池實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果文件，按要求進(jìn)行不同激光功率、掃描速度組合下的成形實(shí)驗(yàn)，完成后測(cè)量熔池寬度和深度；

2）計(jì)算輸入的初始材料參數(shù)文件，包含初始的吸收系數(shù)因子、穿透深度因子等；

3）材料隨溫度變化的熱物性參數(shù)文件，包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、密度等；

第二步：導(dǎo)入材料調(diào)優(yōu)器進(jìn)行計(jì)算，并得到熔池特征寬度文件和用于計(jì)算吸收系數(shù)和穿透深度的調(diào)優(yōu)數(shù)據(jù)文件；

第三步：基于調(diào)優(yōu)數(shù)據(jù)文件，線性擬合，得到新的激光吸收系數(shù)因子及穿透系數(shù)因子；

第四步：形成自定義材料需要輸入的材料參數(shù)計(jì)算輸入文件、材料屬性參數(shù)文件、熔池特征寬度文件，并上傳到軟件材料庫(kù)中，完成自定義材料輸入。

基于自定義材料參數(shù)調(diào)試的熔池尺寸計(jì)算

基于自定義材料參數(shù)調(diào)試的流程，對(duì)某材料進(jìn)行了自定義輸入，進(jìn)行了材料熔池尺寸計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體如下：

1）自定義某材料

△圖2 自定義材料輸入

2）熔池尺寸計(jì)算

基于激光功率、掃描速率、層厚等工藝參數(shù)輸入，進(jìn)行單道掃描熔池尺寸計(jì)算，下表中為H13仿真時(shí)輸入的工藝參數(shù)。

3）仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

將仿真計(jì)算結(jié)果（不含調(diào)試時(shí)已使用的數(shù)據(jù)）與實(shí)驗(yàn)熔池尺寸測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量在趨勢(shì)一致，數(shù)值偏差在10%之內(nèi)。H13材料預(yù)熱600℃的仿真結(jié)果如下圖所示。

此外，針對(duì)400℃的預(yù)熱情況也進(jìn)行了仿真結(jié)果對(duì)比，數(shù)值偏差也在10%之內(nèi)。針對(duì)高溫材料，目前自定義材料參數(shù)調(diào)試功能也能較好地支持，針對(duì)某高溫材料，仿真偏差可控制在15%之內(nèi)。

Ansys Additive Science 2020 R2版本新增的自定義材料參數(shù)調(diào)試功能，在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上大大拓展了可分析材料范圍，可以為更多客戶提供熔池尺度的增材工藝仿真優(yōu)化。