田文浩 孟偉 杜傳斌 王家明

摘要：激光增材制造是先進制造熱點技術之一，激光增材制造技術是利用計算機將零件三維模型進行分層切片，以高能量密度激光束為熱源將材料熔化凝固，逐層堆積形成實體零件。本文主要從激光增材制造溫度場、應力場和應力變形方面，總結了激光增材制造有限元仿真的研究現(xiàn)狀，在此基礎上，探討了激光增材有限元分析面臨的問題和發(fā)展前景。

關鍵詞：激光增材制造;溫度場;應力場;有限元分析

0.引言

激光增材制造技術作為一種新興的制造技術已改變現(xiàn)有工業(yè)零部件的設計生產(chǎn)制造方式，可以實現(xiàn)多種材料、復雜結構零件的致密成形，綜合力學性能優(yōu)于鑄造件，可以顯著縮短制造周期，適用于新產(chǎn)品的開發(fā)、復雜零件的定制生產(chǎn)。隨著激光增材制造技術的快速發(fā)展，該技術已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療器械、汽車制造和模具制造等領域廣泛應用。隨著有限元技術的發(fā)展，激光增材制造仿真中的研究也不斷進步，本文主要總結了近年來國內(nèi)外激光增材制造有限元仿真研究的狀況， 并展望了激光增材制造有限元仿真的發(fā)展方向。

1.激光增材制造溫度場的有限元仿真

和其它領域的有限元模擬研究一樣，激光增材制造技術的有限元分析也是從低維發(fā)展到高維的。增材制造溫度場仿真分析實際上是設置邊界條件，建立適當?shù)募す鉄嵩茨Ｐ?，采用有限元分析軟件其進行求解的過程。薛春芳等人將基體視為“厚板”利用函數(shù)解析法建立了移動激光熱源下的熔覆溫度場二維分析模型，得到了不同工藝參數(shù)下的熔覆過程溫度場曲線，討論了工藝參數(shù)對溫度場的影響，該研究由于對模擬中的熱物性參數(shù)和邊界條件進行了各種假設和簡化，而且采用了都是簡化的熱傳導方程，因此與實際的溫度場會存在一定的差異。任朝暉等人以鈦合金絲材為研究對象，以ABAQUS軟件為平臺建立了激光熔絲增材制造過程完全熱力耦合有限元模型，對激光熔絲成形過程的溫度場和應力場進行模擬。結果表明：沉積成形經(jīng)歷了快速加熱、快速冷卻的過程，隨著層數(shù)的增加，熱累積效應增強;沉積層整體呈拉應力狀態(tài)，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。德國的Sch?nzel等采用非線性宏觀有限元模型，對SLM成形的不銹鋼懸臂梁進行了熱力耦合仿真， 文章描述了一種用于非線性大尺度有限元模擬的方法，以預測中型零件材料的詳細溫度歷史以及殘余應力和變形。

目前激光增材制造在溫度場方面的研究，大部分基于有限元仿真分析，包括對SLM和LCD等工藝的激光熔池、高溫熔道、激光掃描路徑、成形表面、整個增材制造零件的溫度場以及成形過程熱力耦合的有限元仿真?，F(xiàn)今激光增材制造對各類金屬粉末溫度場的研究趨于成熟。通過溫度場仿真，預測擬采用的材料、工藝參數(shù)、掃描路徑對增材制造零件溫度梯度大小及溫度分布的影響，以及可能產(chǎn)生的熱應力、熱變形，從而選擇溫度梯度最小的工藝方案，減少制件廢品率，因此有限元仿真在增材制造溫度場分析領域始終發(fā)揮著重要的作用。

2.激光增材制造應力場及變形的有限元仿真

在熱力學分析中，應力場向來是伴隨著溫度場產(chǎn)生的，同樣激光增材制造技術的熱力行為也不例外。由溫度場產(chǎn)生的熱應力是造成熔覆層開裂的主要原因之一，因此對其應力場的模擬也顯得至關重要。

Gu D等人利用有限元方法模擬的Ti-Ni形狀記憶合金SLM成型冷卻過后內(nèi)部殘余應力場的分布情況。通過有限元對應力場的模擬，可以很直觀地研究殘余應力的形成機理以及不同工藝參數(shù)對于制品殘余應力分布的影響規(guī)律，從而為增材制造工藝的優(yōu)化、制品變形開裂等問題的研究和預防，起到非常重要的理論支持和高效預測作用。石力開等人基于ANSYS建立了薄壁件激光直接沉積過程的應力場有限元模擬，由316L不銹鋼直薄壁件沉積過程的熱應力模擬結果顯示，拉應力區(qū)出現(xiàn)在基板與沉積部分界面處和沉積部分頂部，拉應力區(qū)的位置隨激光束的運動不斷變化。實驗證明，沉積過程中的開裂分別發(fā)生在沉積部分頂部和基板與沉積部分界面處的邊緣部位頂部開裂出現(xiàn)在頂部拉應力區(qū)，邊緣開裂出現(xiàn)在界面拉應力區(qū)中拉應力最大的邊緣部位。

目前關于激光增材制造應力場的有限元仿真的研究進展比較緩慢，相關文獻也相對較少。激光增材制造是一個非常復雜的熱力學行為，其中各種現(xiàn)象的相互作用，導致了應力場仿真的難度較大，另外，由于激光增材成形件殘余應力的測定非常困難，致使模擬結果無法定量的驗證。因為這些原因，所以在已經(jīng)發(fā)表的相關文獻中，關于應力場的仿真是將其溫度場分析結果作為應力場分析載荷來實現(xiàn)這兩種物理場耦合的。

激光增材應力變形的仿真分析主要是基于熱應力和熱應變的分析，熔池內(nèi)部復雜的物理冶金過程及相變行為對增材過程溫度場、應力場有顯著影響，需要進一步考慮微觀冶金過程的影響，完善現(xiàn)有的仿真技術。激光增材制造過程缺陷的形成模擬及其對成形件變形和開裂的影響，也需要在激光增材控形中進一步考慮。

3.總結與展望

本文綜述了激光增材制造溫度場、應力場及變形的有限元仿真現(xiàn)狀，通過對現(xiàn)有文獻的總結，我們了解到：

（1）目前激光增材制造在溫度場方面的研究，大部分基于有限元仿真分析，現(xiàn)今，激光增材制造對各類金屬粉末溫度場的研究趨于成熟。

（2）關于應力場的仿真，目前通常是將其溫度場分析結果作為應力場分析載荷來實現(xiàn)這兩種物理場耦合的。激光增材制造應力場的有限元仿真的研究進展比較緩慢。

（3）目前激光增材應力變形的仿真分析主要是基于熱應力和熱應變的分析，很多學者也提出了一些變形測量方法，為激光增材制造變形的研究提供了指導，但激光增材制造變形仍然是增材過程需要急需解決的問題。

有限元仿真技術作為推動激光增材制造發(fā)展的重要力量受到越來越多的關注，但激光增材制造有限元仿真的研究也存在以下問題：

（1）激光增材制造的工藝優(yōu)化方面，為了獲得高精度的訓練結果，需要大量的試驗或仿真數(shù)據(jù)，耗費許多時間與物質(zhì)成本。優(yōu)化算法并使用少量數(shù)據(jù)得到可靠結果是未來的發(fā)展方向，具有重要意義。

（2）隨著激光增材制造技術廣泛應用于大型復雜結構的制造，殘余應力引起的變形開裂問題將限制其廣泛應用，因此，開展激光增材制造殘余應力變形調(diào)控技術的研究有著非常重要的意義。

隨著有限元仿真技術的飛速發(fā)展及模擬技術的不斷普及與應用，有限元仿真技術將成為金屬增材制造進一步發(fā)展的重要推動力。

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山東建筑大學 250101