高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置

摘要

本发明展示高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置，其装置，包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；其校验方法，如下，1，对高能束增材制造加工中的熔覆过程及热‑变形‑应变实时实验测量；2，建立模型框架，输入材料属性并划分网格；完成了有限元温度场的校准；3，设置力场边界条件并将校准的温度场结果作为力场计算的初始条件，得到基板变形及应变场结果；完成有限元力场的校准；即完成了高能束增材制造有限元热力耦合模型的校准。本发明既能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，有能为建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法提供科学指导，促进增材制造技术获得更广泛的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体为一种高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置。

背景技术

高能束增材制造技术是基于快速原型制造技术原理发展起来的高性能金属增材制造技术，可以分为预铺粉和同步送粉或送丝两种，高能束一般包括等离子束、电子束、激光束和电弧等。对于高能束增材制造同步送粉或送丝技术，成形件均在预制基板上熔覆成形。在熔覆过程中，熔池附近区域经受不均匀的急冷急热作用，熔池凝固收缩，变化的温度场和巨大的温度梯度引起的温度应力，组织转变引起的组织应力，成形件与基板变形不协调引起的阻碍应力，其综合作用导致基板与成形件变形失真，严重影响成形件的精度，降低成形件的力学性能。基板和成形件的变形是高能束增材制造中不可避免的问题之一，该问题也是高能束增材制造技术研究中普遍关注和致力解决的关键问题。因此探明增材制造过程中基板和成形件的热-变形-应变演变规律，明确变形机制及应力分布情况并进行有效控制，对提高成形件的精度及力学性能具有重要意义。

目前对高能束增材制造过程还没有一套完整的热-变形-应变原位实时测量装置，现有的高能束增材制造原位测量技术主要是对基板进行温度及变形的测量，少有对成形件的温度和应变进行原位实时测量。目前大部分学者采用表面轮廓测量仪、激光三维扫描仪等手段获得增材制造加工结束后基板的最终变形，此方法只能对加工结束后的基板进行变形测量，而不能揭示增材制造过程中加工零件的实时变形规律。有学者采用位移传感器对基板变形进行实时测量，但也只能测量基板的变形情况。目前的原位测量方法都比较单一并且有很大的局限性，不能全场监测热力场的演变过程，无法为增材制造有限元热力耦合模型提供全套的实验验证数据。

总的来说，随着高能束增材制造的发展，成形件在成形过程中的变形甚至开裂问题一直未得到有效的解决，这严重影响了成形过程的进行和成形件的质量。如果能对高能束增材制造过程基板和成形件的温度场、变形、应变场和应力场演化行为进行实时精确测量，不仅能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，从而建立准确的热力耦合模型，以便进行大尺寸复杂结构件的热力场分析，而且能了解成形过程成形件的变形甚至开裂机制，为建立有效控制变形及应力的工艺方法提供科学指导，进而采取有效的控制措施进行改善甚至消除。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法及其数据测量装置，装置结构简单，方法灵活准确，能够实时同步监测，不仅能为高能束增材制造的模拟仿真提供可靠的实验数据，而且能为建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法提供科学指导，促进增材制造技术获得更广泛的应用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；

所述的夹具系统包括依次从上向下固定设置的基板固定板、上支架和下支架；基板固定板固定在上支架上端单边夹持固定基板，上支架和下支架之间固定夹持设置与基板平行设置的位移传感器固定板；上支架的一侧固定设置热电偶测温架；

所述的数据采集系统包括通过热电偶测温架设置在热电偶测温点的热电偶，固定在位移传感器固定板上的位移传感器，与热电偶测温架相对设置的三维数字动态散斑应变测量仪，以及与上支架相对设置的热成像仪；位移传感器的测量头设置在基板下端，三维数字动态散斑应变测量仪和热成像仪的采集端均对准基板和加工区。

优选的，所述的热电偶测温架上设置有若干插孔，插孔内设置有刚玉管；热电偶的测温头穿过刚玉管且裸露于刚玉管靠近加工区的端部，热电偶的热电偶丝焊接在退火态基板的不同位置处。

优选的，三维数字动态散斑应变测量仪包括呈角度设置的第一三维数字动态散斑应变测量仪镜头和第二三维数字动态散斑应变测量仪镜头；三维数字动态散斑应变测量仪设置在与工作台固定的应变测量仪支架上，应变测量仪支架的高度和角度均能够调整。

优选的，热成像仪设置在与工作台固定的热成像仪支架上，热成像仪支架的高度和角度均能够调整。

优选的，位移传感器的传感头设置在基板底部远离加持端的一侧。

高能束增材制造有元热力耦合模型的校验方法，包括如下步骤，

步骤1，将上述任意一校验数据测量装置初始化，对高能束增材制造加工中的熔覆过程及热-变形-应变实时实验测量；数据记录仪采集热电偶测温数据和位移传感器的位移信号，热成像采集系统收集温度场信号，三维数字动态散斑应变测量数据采集系统收集应变场信号；

步骤2，建立高能束增材制造有限元热力耦合模型框架，输入材料属性并划分网格；然后根据经验设置初始温度场边界条件，利用所建立的模型模拟计算成形过程的温度场，将模拟结果与热电偶测温数据及热成像采集系统所测的温度场结果进行对比分析，根据模拟与实验测量结果差异调整温度场边界条件，直到模拟结果与实验测量结果匹配，完成了有限元温度场的校准；

步骤3，根据实验加工过程设置力场边界条件并将校准的温度场结果作为力场计算的初始条件，利用模型模拟计算成形过程的力场演化过程，得到基板变形及应变场结果；将模拟的基板变形及应变场结果与实验所测的基板变形和应变场结果进行对比分析，依据误差调整力场边界条件，直到模拟结果能与实验测量结果匹配，完成了有限元力场的校准；即完成了高能束增材制造有限元热力耦合模型的校准。

优选的，将热电偶和位移传感器与数据记录仪相连接，并进行调试，准备接收温度信号和变形信号；调试热成像仪数据采集系统，准备接收热成像信号；调试三维数字动态散斑应变测量仪数据采集系统，准备接收应变信号。

优选的，步骤1中，实时实验测量时，根据热电偶测温数据能够得到成形件测量位置的温度变化；数据采集仪记录位移传感器输出的电压信号，并根据位移与电压转换关系将提取的电压信号转换成位移信号得到基板的实时变形过程。

优选的，步骤1中，对成形过程中热成像仪的辐射率和能量传输率进行校准；利用热电偶所测量的测温点准确温度值对热成像仪监测的对应点温度数值进行校准，即获得热成像仪监测过程中准确的辐射率和能量传输率，然后对整个成形过程中热成像相机视场下所有测温点采用所得的准确的辐射率和能量传输率，完成热成像仪校准。

优选的，步骤2中，初始温度场边界条件包括能量吸收率、对流系数及热辐射率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，基于热电偶及热成像综合测温技术、位移传感器变形测量技术和三维数字动态散斑应变测量技术，能够可实时同步监测基板及成形件温度场和全场应变及变形，明晰基板和成形件热-变形-应变的演化规律；实现了高能束增材制造过程中对基板变形、对基板和成形件温度场、以及对基板和成形件应变场的实时监测目的，达到了高能束增材制造过程中对的实时监测目的，得到校验后的模型，利用校准的模型即可分析成形过程中任一时刻的温度场、变形、应变场及应力场，并能探究温度场与力场演化之间的相互影响机制。为高能束增材制造模拟仿真提供了可靠的实验验证手段，为建立高能束增材制造过程热-组织-变形序贯耦合模型的验证提供了科学的实验数据。

本发明高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，利用热电偶、热成像仪、位移传感器、三维数字动态散斑应变测量仪实现了同时同步对高能束增材制造过程的热-变形-应变进行原位实时准确监测，测量数据类型多，信息全面，即获得加工过程中成形件的温度场，又获得成形件的机械响应信息(基板变形、应变场)，优于任何一种单一原位实时测量方式，如仅热电偶测温或仅位移传感器测量变形。不仅可用于激光束、离子束、电弧等高能束增材制造过程的监测，而且同样适用于真空环境下的电子束增材制造过程监测。另外，除高能束增材制造领域，该系统也可实时监测焊接过程中焊道的温度场、变形和应变场变化。

进一步的，由于热电偶测温点可任意选取，位移传感器对基板的测量位置任意选取，热成像仪和三维数字动态散斑应变测量仪在工作台上的装载位置和角度可根据需求进行移动调整，故整套测量装置对所测成形件的的监测方式十分灵活，可针对不同材料(钢、高温合金、钛合金、铝合金等)、不同结构形状(单臂墙、框、桶、板筋、块体、异型及复杂结构件等)、不同尺寸成形件(厘米～米尺度)的高能束增材制造过程均可进行热-变形-应变场原位实时测量。

进一步的，由于校验数据测量装置不与基板上成形件沉积区域直接接触，尤其热成像仪及三维数字动态散斑应变测量仪是远距离监测，故该套测量系统不会对高能束增材制造过程产生任何影响。

附图说明

图1为本发明实例中所述的数据测量装置的数据采集框图。

图2为本发明实例中所述的基板单边加持时数据测量装置的结构示意图。

图3为本发明实例中所述的基板单边夹持时基板温度和变形测量位置分布示意图。

图4为本发明实例中所述的激光增材制造过程基板及成形件的热电偶测温曲线示意图。

图5为本发明实例中所述的激光增材制造过程基板的变形曲线示意图。

图6为本发明实例中所述的激光增材制造过程热成像仪监测的温度场示意图。

图7为本发明实例中所述的激光增材制造过程三维数字动态散斑应变测量仪监测的应变场示意图。

图中，1为高能束、2为基板固定板、3为上支架、4为第一三维数字动态散斑应变测量仪镜头、5为下支架、6为第二三维数字动态散斑应变测量仪镜头、7为应变测量仪支架、8为位移传感器固定板、9为热电偶、10为位移传感器、11为热成像仪、12为热成像仪支架、13为基板、14为熔覆层、15为热电偶测温头、16为刚玉管、17为热电偶测温架。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验方法，利用数据测量装置实时测量得到的热-变形-应变场测量结果，对有限元热力耦合模型进行校验。

以下实施例以高能束中的激光束作为代表，说明在高能束增材制造过程中，本发明是如何实现利用数据测量装置对热-变形-应变场的原位实时精确测量并应用于热力耦合模型的校验。如图1所示，在高能束加工过程中，热电偶和热成像仪实时监测温度场，位移传感器实时监测基板变形，三维数字动态散斑应变测量仪实时监测应变场，测量数据由相应的数据采集系统记录分析。

所述的热电偶测温点分别位于基板相应特定位置及成形件侧壁的任意特定位置。

本发明中所应用的高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验数据测量装置，能够精确测量热-变形-应变原位，其包括设置在工作台上的夹具系统，夹具系统上的数据采集系统，数据采集系统包括设置在夹具系统上的热电偶和位移传感器装置以及数据记录仪，另外还包括设置在工作台上的热成像仪和三维数字动态散斑应变测量仪。其中，基板变形测量点的位置可进行调整，温度测量点的位置可以根据成形件形状进行布置，基板和成形件的温度场和应变均可进行全场监测。能够实现对高能束增材制造过程中基板和成形件的热-变形-应变原位实时监测，能够准确地反应基板和成形件的热-变形-应变随时间的演化规律，不仅为研究高能束增材制造过程中基板和成形件的变形机理提供可靠的实验测量基础，而且为高能束增材制造模拟仿真提供了有力的实验数据，最终对建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法和获得高精度、高性能成形件奠定了基础。

具体的，如图2所示，本发明所述装置包括工作台，以及安装在工作台上的夹具系统和数据采集系统；

所述的夹具系统包括依次从上向下固定设置的基板固定板2、上支架3和下支架5；基板固定板2固定在上支架3上端单边夹持固定基板13，上支架3和下支架5之间固定夹持设置与基板13平行设置的位移传感器固定板8；上支架3的一侧固定设置热电偶测温架17；

所述的数据采集系统包括通过热电偶测温架17设置在热电偶测温点的热电偶9，固定在位移传感器固定板8上的位移传感器10，与热电偶测温架17相对设置的三维数字动态散斑应变测量仪，以及与上支架3相对设置的热成像仪11；位移传感器10的测量头设置在基板下端，三维数字动态散斑应变测量仪和热成像仪11的采集端均对准基板13和加工区。

安装时，热电偶测温装置安装；在退火态基板的不同位置焊接热电偶丝；在刚玉管16中穿入热电偶丝并使热电偶丝的测温头裸露于刚玉管16端部，然后将刚玉管16安装在热电偶测温架17上，最后将热电偶测温架17安装在上支架3上；

固定基板及确定基板变形测量位置；将焊有热电偶9的基板单边夹持在基板固定板2和上支架3之间；使用上支架3和下支架5之间的位移传感器固定板8将位移传感器10布置在基板13正下方指定位置；

整体测量平台安装；将夹具系统安装在工作台上；将热成像仪安装在工作台适当位置，调整热成像镜头使其对准基板和加工区；将三维数字动态散斑应变测量仪安装在工作台适当位置，调整三维数字动态散斑应变测量仪镜头使其对准基板和加工区；

本发明优选实例主要针对高能束增材制造同步送粉或送丝技术。当热电偶焊在基板上表面时需要对热电偶丝进行遮蔽处理，防止高能束的辐射作用影响测量结果；在安装热电偶测温架时，调整热电偶测温架的安装位置，使刚玉管端部的热电偶测温头对准成形件侧壁特定测温位置。调整位移传感器固定板的位置使位移传感器对准基板底面变形测量位置。安装夹具时，使基板侧面与机床的X轴或Y轴平行，便于确定熔覆区在基板的相对位置；热成像仪镜头和三维数字动态散斑应变测量仪的镜头都必须装配滤波片，防止高能束损坏镜头；观测热成像仪和三维数字动态散斑应变测量仪的采集显示屏，调整各镜头的位置获得合准确清晰的监测视场。

本发明所述的方法具体步骤如下：

第一步，在基板上不同位置焊接热电偶并在基板正下方特定位置布置位移传感器如图3所示，将基板单边夹持在夹具上，同时在热电偶测温架上准备好热电偶随后对成形件进行测温。

第二步，将第一步中装配好的夹具安装在工作台上，如图2所示。

第三步，将热成像仪和三维数字动态散斑应变测量仪分别安装在与基板距离合适工作台上，如图2所示。

第四步，测量装置初始化；将热电偶和位移传感器连接到数据记录仪上，对数据记录仪进行调试，以及通过观测数据采集系统显示器，调试热成像仪和三维数字动态散斑应变测量仪的镜头视场，准备测量时接收热成像信号和应变信号。其中，位移传感器的位移信号需要转换成电压信号通过数据记录仪采集；应变测量前需要对基板进行标定，作为应变测量参考位置。

第五步，高能束增材制造工艺初始化；在控制增材制造过程的计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度分层切片，并设定成形的扫描策略，同时在机床控制系统中设置成形过程工艺参数；对成形腔体通入惰性保护气体氩气，准备高能束增材制造加工过程，当氧含量降到一定水平，开始成形过程。当高能束为电子束时，成形腔体必须是真空环境，不需要充保护气体。

第六步，熔覆过程及热-变形-应变的实时测量；同时开始熔覆过程和热-变形-应变的原位实时测量过程，数据记录仪收集热电偶和位移传感器的测量信号，热成像采集系统收集温度场信号，三维数字动态散斑应变测量数据采集系统收集应变信号；具体的采用特定的激光加工工艺，开始成形过程，同时对激光增材制造过程中基板和成形件热-变形-应变进行实时精确测量。当熔覆层沉积到一定厚度时，使刚玉管端部的热电偶测温头接触成形件侧壁，热电偶开始对成形件进行测温，由于热电偶距离高能束很近，需要采用耐高温热电偶丝。

第七步，保存测量数据并拆卸测量装置；当成形过程结束并冷却到室温及测量系统监测结束后，保存测量数据并关闭测量系统，然后逐一拆卸测量装置；

第八步，测量数据处理；将数据记录仪中的热电偶测温数据和位移传感器的位移信号(实际为电压信号)提取出来，其中热电偶所测温度值可直接被应用；利用位移与电压转换关系将提取的电压信号转换成位移信号，即可得到基板的实时变形历程；利用热电偶所测的测温点准确温度值对热成像仪监测的对应点温度数值进行校准，即获得热成像仪监测过程中准确的辐射率和能量传输率，完成热成像仪校准。然后对计算机所记录的热成像测温信息进行提取，例如提取成形过程中热成像所记录的最大温度即为加工过程中熔池的峰值温度，同样热成像视场下任一点任意时刻的温度以及整体温度场随时间的变化信息均可被提取出来；根据三维数字动态散斑应变测量仪记录的加工前系统识别的未变形状态的第一个图像，及加工过程中系统实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，利用散斑应变测量仪对应得数据分析软件比较各个数字散斑图像并计算出物体纹理特征的全场应变和变形，建立统一的应变标尺进行量化标定，并输出不同加工时刻的可视化应变云图，从而获得成形过程中成形件的全场实时应变和位移信息。

第九步，测量结果验证模型；首先，建立高能束增材制造有限元热力耦合模型框架，设置初始温度场边界条件(能量吸收率、对流系数及热辐射率)，利用模型模拟计算温度场，对比温度场模拟与实验测量结果差异调整温度场边界条件，直到模拟与实验测量结果匹配，即完成温度场的校准。其次，根据实验加工过程设置力场边界条件并以校准的温度场结果作为力场计算的初始条件，利用模型计算力场演化过程，得到基板变形及应变场结果；对比变形及应变场的模拟结果与实验测量结果调整力场边界条件，直到模拟结果能与实验测量结果匹配，完成了有限元力场的校准；即完成有限元热力耦合模型的校准。利用校准的模型分析成形过程中任一时刻的温度场、变形、应变场及应力场，并探究温度场与力场演化之间的相互影响机制。

对数据进行处理，就得到热电偶测量基板及成形件的温度曲线如图4所示，位移传感器测得基板的变形曲线如图5所示，热成像仪监测基板及成形件的整体温度场如图6所示，三维数字动态散斑应变测量仪监测基板及成形件的应变场如图7所示。

由该实例的测量过程和测量结果可以得出，本发明通过对热-变形-应变场进行实时精确的监测并进行深入分析，易实现高能束增材制造有限元热力耦合模型的校验，能够探明高能束增材制造过程基板和成形件变形的演化规律和失效机制，为建立有效控制基板和成形件变形甚至失效的工艺方法奠定基础。