一种增材制造微观组织超声检测有限元建模的方法

摘要

本发明公开了一种增材制造微观组织超声检测有限元模型的建模方法，首先生成增材制造微观组织即晶粒结构；将不同晶粒度的区域组合在一起，形成整体模型；选择合适的物理场；对不同的晶粒赋予不同的取向下的刚度矩阵；使用COMSOL with MATLAB将在MATLAB中生成的晶粒几何、物理场接口、取向信息都储存为一个模型；在COMSOL中连接服务器将模型导入；进行仿真计算。省去了在COMSOL中画图的繁琐，建模过程简化；晶粒个数多、面积小，在COMSOL中难以对晶粒进行取向赋予，在MATLAB中直接进行域的选择，更加精确清晰。通过其仿真来分析增材制造微观组织，对汽车零部件的整体性能进行预判。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车制造领域，更具体的说，涉及汽车制造过程中的增材制造微观组织超声检测有限元建模的方法。

背景技术

增材制造技术是基于离散-堆叠原理，通过预先建立数字模型，运用粉材或丝材进行多层多道熔覆堆积的成形工艺，可一体化成形大型复杂结构零件。电弧增材制造是以电弧作为热源熔化金属丝材，按照设定路径在金属基板上逐层熔敷堆积成型，具有制造周期短、经济型好、材料利用率高、易实现自动化等优点，可以快速制造出形状结构较为复杂的零件。电弧增材制造在多层堆叠、焊接热循环等综合作用下，基体和增材层不同区域晶粒大小不均、呈分层分布，在熔池凝固过程中，可能产生气孔、微裂纹、夹杂、分层等宏观缺陷。电弧增材制造金属采用电弧作为热源，在工件制备过程中由于温度、工件材料和尺寸、电源参数等因素的波动，系统很难处于稳定状态。内部多晶结构具有晶粒尺寸分布不均匀、晶粒粗大、较强的弹性各向异性等特点，因此会对超声检测带来诸多影响：如晶粒尺寸粗大会使超声波传播过程中引起结构噪音、散射衰减等，严重影响了缺陷检测的精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足，提供增材制造微观组织超声检测有限元建模的方法。

为实现上述目的，本发明所提出的增材制造微观组织超声检测有限元建模的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

建立增材制造晶粒的几何模型；

选择合适的物理场；

以不同的域选择晶粒为一种取向；

将以上步骤得到的结果通过COMSOL with MATLAB储存为一个模型，并导入COMSOL；

进行仿真计算。

进一步地，建立增材制造微观组织的几何模型具体为：在MATLAB中编写程序生成晶粒的几何图形，采用整体建模的方法，分别编写不同区域的晶粒程序，最后将四个区域的矩阵串联在一起，绘制出整体的模型。

更进一步地，在MATLAB中编写程序生成晶粒的几何图形的具体过程为：

采用Voronoi算法，用随机种子点作为发生元，生成随机分布的Voronoi图；

使用Mpt_Voronoi函数，构造所需边界形貌，设置边界尺寸，使得边界不会无穷增长；其中Mpt_Voronoi函数的格式为：[V]＝mpt_voronoi(A,’bound’,B)，A为随机点坐标矩阵，B为边界条件；

定义控制参数，通过调节控制参数的大小来控制Voronoi图中的晶粒大小，从而可以控制随机生成的Voronoi图中晶粒分布与大小；

将各个区域的晶粒生成之后，将其矩阵串联在一起，形成包含四个不同晶粒度区域的整体模型。

进一步地，以不同的域选择晶粒为一种取向是以10个晶粒为单位进行选择。简化了建模过程。

优选地，所述物理场为固体力学物理场。

优选地，进行仿真计算的具体过程为：

设置材料参数，划分网格，进行超声波仿真计算，包括：

在材料库中选择空材料，设置金属的材料；

在线弹性材料模块设置晶粒的刚度矩阵C’,C’＝MCN

式中C

其中ɑ的值如下

其中

将得出的不同取向下的刚度矩阵赋予不同的晶粒；在顶部边界加载一个Y方向的位移；左右两侧为低反射边界；底部为自由边界；划分网格；设置与网格相互配合的步长；利用MUMPS求解器进行仿真计算。将整个上边界加载Y方向的位移，网格与步长的划分会影响结果，可能导致无法计算或者计算不准确、计算时间过长等。网格划分通常以将网格的最大单元尺寸设置为波长的1/10到1/5之间为原则。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

通过COMSOL with MATLAB在MATLAB中建模，在COMSOL中进行仿真，省去了在COMSOL中画图的繁琐，建模过程简化；将不同晶粒度的区域组合在一起，形成整体模型，更加符合实际晶粒的分布；晶粒个数多、面积小，在COMSOL中难以选择域，在MATLAB中直接进行域的选择，更加精确清晰。通过仿真来分析增材制造微观组织，对汽车零部件的整体性能进行预判。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的调节控制参数控制晶粒分布均匀程度的示意图。

图3为本发明在MATLAB里生成的几何图形示意图。

图4为本发明选择不同的区域并对其赋予不同取向下的晶粒矩阵的示意图，其中以不同灰度代表了不同取向下的刚度矩阵。

图5为本发明生成的网格示意图。

图6为本发明生成的输出波形示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明旨在提出一种增材制造微观组织超声检测的有限元模型建模方法。如图1所示，该建模方法包括如下的步骤：

S101、建立增材制造微观组织的几何模型，在MATLAB中编写程序生成各个区域的晶粒的几何模型图，通过矩阵串联形成整体模型，可以调整参数来改变晶粒数目。

S102、选择合适的物理场，在MATLAB中编写程序设置COMSOL的物理场，本次选择固体力学物理场接口。

S103、选择不同的晶粒为一种取向，在MATLAB里以10个晶粒为单位进行选择，具体取向信息在COMSOL里设置,根据上文公式设定，其中本构刚度矩阵是材料本身特性，要与材料对应。

S104、将其储存为一个模型，将以上编程生成的几何图形、物理场接口、域的选择通过COMSOL with MATLAB储存为一个模型。

S105、将模型导入COMSOL，在COMSOL里连接服务器，将已经储存好的模型导入。

S106、进行仿真计算，在COMSOL中进行材料参数设置、刚度矩阵赋予、划分网格等操作，进行仿真计算。

下面以增材制造微观组织为例，具体说明本发明增材制造微观组织超声检测有限元模型建模方法的实现过程。

在步骤S101中，在MATLAB中编程生成晶粒的几何模型，其生成的几何模型如图2所示，其分布为增材层表面为等轴晶，增材层中间为粗大的柱状晶，热影响区和母材为等轴晶，但晶粒大小不同，其中大小和数目可以通过编程调整。

在步骤S102中，在MATLAB里设置物理场，在MATLAB里编程使其可以在COMSOL中选择合适的物理场，首先在几何上创建物理场接口，然后添加线弹性模型域条件，空间维度为2。

在步骤S103中，选择不同晶粒为一种线弹性取向，选择域，选择固体模型为各项异性，刚度矩阵为用户控制

在步骤S104中，将以上编程储存为一个模型，该模型可以导入COMSOL，包括：启动COMSOL with MATLAB后，在MATLAB界面导入模型类；创建模型对象命令；创建几何模型结点；设定几何模型参数；生成几何模型，并存储为mph文件。

在步骤S105中，在COMSOL中将模型导入，包括：连接服务器；将MATLAB中储存的模型导入。

在步骤S106中，设置材料参数，划分网格，进行超声波仿真计算，包括：在材料库中选择空材料，设置金属的材料；

在线弹性材料模块设置晶粒的刚度矩阵C’,C’＝MCN

式中C

其中ɑ的值如下

其中

将得出的不同取向下的刚度矩阵赋予不同的晶粒；在顶部边界加载一个Y方向的位移；左右两侧为低反射边界；底部为自由边界；划分网格；设置步长，步长与网格应该相互配合；利用MUMPS求解器进行仿真计算。

本发明通过COMSOL with MATLAB在MATLAB中建模，在COMSOL中进行仿真，省去了在COMSOL中画图的繁琐，建模过程简化；将不同晶粒度的区域组合在一起，形成整体模型，更加符合实际晶粒的分布；晶粒个数多、面积小，在COMSOL中难以对其域进行取向赋予，在MATLAB中直接进行域的选择，更加精确清晰。通过其仿真来分析增材制造微观组织，对汽车零部件的整体性能进行预判。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。