金屬增材制造多尺度多物理場前沿計算方法啟示

來源：中國力學(xué)學(xué)會


由《力學(xué)學(xué)報》編委會與編輯部共同主辦的《力學(xué)者說》系列學(xué)術(shù)論壇第5期，于2022年5月15日順利舉辦。北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院廉艷平教授在論壇中做了學(xué)術(shù)報告，報告題為《金屬增材制造的多尺度多物理場前沿計算方法》。

報告介紹了金屬增材制造的研究背景，金屬增材制造技術(shù)是一種基于數(shù)字模型的設(shè)計制造一體化 “近凈”成形技術(shù)，具有材料性能可調(diào)控、復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速成形、可定制化、低成本等優(yōu)點，在航空、航天、交通和核電等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用空間和廣闊的發(fā)展前景，近年來受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和高度重視。現(xiàn)階段，金屬增材制造技術(shù)雖得到了快速發(fā)展并取得了成功的典型工程應(yīng)用，但其深入發(fā)展仍面臨著諸多難題和挑戰(zhàn)，涉及力學(xué)、光學(xué)、材料、機械、控制等多個學(xué)科。

由于多工藝參數(shù)綜合作用下的冶金缺陷形成機理、微觀組織演化規(guī)律、翹曲變形與分層開裂預(yù)測、表面質(zhì)量和成形尺寸精度控制等基礎(chǔ)理論問題尚未完全突破，金屬增材制造在構(gòu)件成形精度、力學(xué)性能以及成形效率等方面面臨的問題，限制了其在工程中的廣泛深入應(yīng)用。因此，發(fā)展高效可靠的數(shù)值模擬方法，開展制造過程模擬、缺陷分析、性能預(yù)測和工藝優(yōu)化，具有重要的科學(xué)意義和工程價值。

廉教授圍繞上述關(guān)鍵問題，介紹了金屬增材制造多尺度多物理場數(shù)值模擬算法方面的最新研究進(jìn)展。

針對傳熱傳質(zhì)過程，廉教授介紹了目前的三類模型：粉末尺度的熱流耦合模型，基于等效連續(xù)體假設(shè)的熱流耦合模型以及基于等效連續(xù)體假設(shè)的純熱傳導(dǎo)模型。

其中，廉教授重點介紹了其課題組在第一類模型中的最新工作，高保真移動多級網(wǎng)格算法。該算法采用移動精細(xì)網(wǎng)格（亞顆粒尺度）求解熔池?zé)崃鲌觯�粗網(wǎng)格（大于顆粒尺度）求解溫度遠(yuǎn)場，并通過數(shù)據(jù)映射實現(xiàn)兩者的關(guān)聯(lián)，采用離散元自適應(yīng)轉(zhuǎn)化方法實現(xiàn)其在兩套網(wǎng)格中的求解。因此，該算法兼顧了計算精度和效率，為基于粉末顆粒的金屬增材制造過程高保真數(shù)值模擬提供了一種新的高效高精度算法。

針對金屬增材制造中成形材料微觀組織演化過程，廉教授介紹了目前常用的三類算法：相場法、元胞自動機法和Monte Carlo算法。其中，廉教授著重介紹了其課題組基于元胞自動機法的工作，并提出了擴展元胞自動機法。該算法實現(xiàn)了凝固初生相和晶粒粗化過程的數(shù)值模擬，為金屬增材制造控性工藝優(yōu)化提供了一種有效的數(shù)值模擬方法。

進(jìn)一步，針對金屬增材制造成形過程和微觀組織高保真計算規(guī)模大的問題，廉教授介紹了其課題組發(fā)展的“成形過程-微觀組織”數(shù)據(jù)驅(qū)動的高效計算方法，實現(xiàn)了成形溫度場、微觀組織特征的高效預(yù)測。

針對成形材料力學(xué)性能評估，廉教授介紹了基于數(shù)據(jù)壓縮的晶體塑性自洽聚類分析算法，揭示了工藝參數(shù)對成形材料基本力學(xué)性能的影響。進(jìn)一步，介紹了其課題組發(fā)展的殘余應(yīng)力多尺度分析算法，實現(xiàn)了晶粒尺度的殘余應(yīng)力分析，為金屬增材成形件疲勞性能高精度分析提供了一種關(guān)鍵技術(shù)。

針對成形構(gòu)件性能評價需求，廉教授介紹了多級hp圖像有限胞元法，通過數(shù)值模擬揭示了真實制造幾何形貌和內(nèi)部缺陷對成形構(gòu)件性能的影響。該算法可實現(xiàn)計算機斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)與數(shù)值離散模型的一體化建模分析，且計算效率高于傳統(tǒng)的體素有限元法。

最后，廉教授對上述工作進(jìn)行了全面總結(jié)，對金屬增材制造多尺度多物理場耦合數(shù)值模擬理論與算法未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期推動金屬增材制造技術(shù)成形理論和工程應(yīng)用方面的進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)力學(xué)學(xué)科在相關(guān)領(lǐng)域的深入發(fā)展。