一种在选择性激光烧结铺粉过程中表征烧结层性质的二维离散元建模方法

摘要

本发明提供了一种在选择性激光烧结铺粉过程中表征烧结层性质的二维离散元建模方法，通过实验获取选择性激光中烧结零件的表面粗糙度曲线，将缩放后的曲线导入二维封闭计算域内，用刚性墙“Wall”替代并赋予其相关属性参数，再生成颗粒对该模型区域铺粉，用以粉末在选择性激光烧结中铺粉均匀性的仿真研究。具体步骤为：通过实验获取烧结零件的表面粗糙度曲线，并引入缩放比系数k获得不同波动程度的曲线，将其导入封闭二维计算区域中；用刚性墙“Wall”替代导入的曲线并定义其接触模型和材料属性，获得具有烧结零件表层性质的离散元模型；新生成颗粒堆积，设置铺粉墙对模型区域铺粉；对颗粒在具有烧结零件表层性质的离散元模型上的铺粉均匀性进行研究。

说明书

技术领域

本发明属于选择性激光烧结中粉体颗粒流动性离散元建模仿真研究，具体涉及一种在选择性激光烧结铺粉过程中表征烧结层性质的二维离散元建模方法。

背景技术

目前计算机技术的快速发展，以计算机建模来模拟各种材料来进行仿真实验的方式受到越来越多的关注，显然与实际实验相比，使用计算机建模仿真同样具备各项参数的测试与测量的能力，其值近似真实值，且其参数调试便捷、成本低，能为进一步进行实验提供宝贵的实验参数及结果对比。

在选择性激光烧结的粉末颗粒铺粉均匀性研究实验中，由于难以实现对颗粒运动轨迹以及状态的实时监测，所以目前多数研究者采用离散元建模仿真对其进行研究。但在常规仿真中，颗粒的计算数量庞大、颗粒间接触力复杂，导致出现仿真时间长以及需要高性能的计算机服务器成本增加等问题。且从已掌握的文献及专利来看，应用离散元法且考虑零件烧结层形貌及性质的铺粉均匀性研究尚未见报道。我们已知选择性激光烧结的原理是层层烧结层层铺粉，而被激光烧结过的区域表层形貌不平整的熔池状态，因此在未烧结的粉层上铺粉和在已烧结区域铺粉其均匀性是显著不同的。因此有必要提出一种新的、更易实现对颗粒轨迹状态的观测方法，且该方法在选择性激光烧结铺粉过程中考虑了烧结零件的烧结层形貌及性质，使研究人员能进一步对粉末颗粒在选择性激光烧结铺粉过程中的铺粉均匀性进行仿真实验研究。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本文提出了一种在选择性激光烧结铺粉过程中表征烧结层性质的二维离散元建模方法。

本发明是采用一种在选择性激光烧结铺粉过程中表征烧结层性质的二维离散元建模方法，其特征在于，建立离散元模型的方法步骤如下：

(1)通过电动轮廓仪的针描法对烧结零件表面进行测量，其利用触针直接在被测表面轻轻滑过，从而测量出表面粗糙度Ra值以其他众多参数，获得选择性激光烧结中烧结零件表面粗糙度曲线函数方程y＝f(x)，建立坐标系X

(2)将缩放系数k引入步骤(1)中的烧结零件表面粗糙度曲线y＝f(x)，得到新的烧结零件表面粗糙度曲线y′＝kf(x)并绘制其图像，实现烧结零件表面粗糙度曲线在Y

(3)构建坐标系XY，原点为O，建立一个二维的封闭计算区域，此处以正方形为例，其边长为L，坐标X、Y轴原点O位于正方形左下角顶点处，且设置封闭计算区域的边界与颗粒间的接触为刚性接触，即边界墙与颗粒间不传热、不产生吸附；

(4)将步骤(2)中生成的烧结零件表面粗糙度曲线y′＝kf(x)导入步骤(3)中建立的二维封闭计算区域内，表面粗糙度曲线y′＝kf(x)的中线与封闭计算域X轴平行，且两端与封闭计算域两侧边界相交；

(5)将已导入的烧结零件表面粗糙度曲线y′＝kf(x)用刚性墙“Wall”替代，然后将导入的曲线y′＝kf(x)删除，获得用刚性墙替代的具有烧结零件表面粗糙度形貌的二维离散元模型；

(6)对刚性墙“Wall”的接触模型以及热系数进行赋值，此处刚性墙“Wall”的与颗粒接触模型可设置为JKR和Heat conduction模型等具有较强的连结键的接触模型，模拟零件烧结层的熔融状态，热系数包括比热容、热传导系数等，形成具有烧结零件表层性质的二维离散元模型；

(7)在步骤(6)中建立的具有烧结零件表层性质的二维离散元模型上一侧生成2～3倍铺粉层体积的颗粒堆积，其半径服从均匀分布或正态分布并设置颗粒基本物理属性、接触模型，其中颗粒基本属性(泊松比、剪切模量、颗粒刚度比、阻尼系数、密度等)、接触模型(Hertz-Mindlin、线弹性接触模型)、重力加速度(Y方向)；

(8)新建“铺粉墙”位于步骤(3)建立的二维封闭计算区域OY轴处，“铺粉墙”与封闭计算域的Y轴平行，其性质上等同于封闭计算域边界，与颗粒接触为刚性接触，并设置“铺粉墙”沿X轴正方向运动的平移速度，模拟铺粉装置在选择性激光中的铺粉过程，对颗粒在具有已烧结零件表面性质的二维离散元模型上方的铺粉均匀性进行分析；在步骤(7)中新生成的颗粒在受到“铺粉墙”推动作用后新生成颗粒在受到“铺粉墙”推动作用后，会在具有烧结零件表面材料属性的刚性墙“Wall”模型上形成颗粒层，可对颗粒层分划网格，对网格内粉末质量进行采样，通过其质量标准差研究其铺粉均匀性；调整“铺粉墙”平移速度以及调整表面粗糙度曲线y′＝kf(x)的缩放系数k，获得不同烧结层表面模型，进一步研究相关因素对粉末颗粒在具有烧结层性质粉末层上铺粉均匀性的影响。

附图说明

图1是一种在选择性激光烧结铺粉过程中表征烧结层性质的二维离散元建模方法的流程图。

图2是通过试验获得烧结零件表面粗糙度曲线y＝f(x)示意图。

图3是建立二维封闭计算区域示意图。

图4是用刚性墙“Wall”替代烧结零件表面粗糙度曲线y′＝kf(x)示意图。

图5是在具有烧结零件表层性质的二维离散元模型上铺粉过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本方法进行进一步详细说明。

一种在选择性激光烧结铺粉过程中表征烧结层性质的二维离散元建模方法，其特征在于，建模步骤如下：

(1)通过电动轮廓仪的针描法对烧结零件表面进行测量，其利用触针直接在被测表面轻轻滑过，从而测量出表面粗糙度Ra值以其他众多参数，获得选择性激光烧结中烧结零件表面粗糙度曲线函数方程y＝f(x)，建立坐标系X

(2)将缩放系数k＝0.8引入步骤(1)中的烧结零件表面粗糙度曲线y＝f(x)，得到新的烧结零件表面粗糙度曲线y′＝0.8f(x)并绘制其图像，其长度为l＝10mm，实现烧结零件表面粗糙度曲线在Y

(3)构建坐标系XY，建立一个二维的封闭计算区域，此处以正方形为例，其边长为L＝10mm，坐标X、Y轴原O位于正方形左下角顶点处，且设置封闭计算区域的边界与颗粒间的接触为刚性接触，即边界墙与颗粒间不传热、不产生吸附，如图3所示；

(4)将步骤(2)中生成的烧结零件表面粗糙度曲线y′＝0.8f(x)导入步骤(3)中建立的二维封闭计算区域内，表面粗糙度曲线y′＝0.8f(x)的中线与封闭计算域X轴平行，且两端与封闭计算域两侧边界相交；

(5)将已导入的烧结零件表面粗糙度曲线y′＝kf(x)用刚性墙“Wall”替代，然后将导入的曲线y′＝kf(x)删除，获得用刚性墙替代的具有烧结零件表面粗糙度形貌的二维离散元模型，如图4所示；

(6)对刚性墙“Wall”的接触模型以及热系数进行赋值，此处刚性墙“Wall”的与颗粒接触模型设置为Heat conduction模型，模拟零件烧结层的熔融状态，设置比热容50J/(kg.k)，导热系数为1100W/(m.k)，温度和热流设置为400K，形成具有烧结零件表层性质的二维离散元模型；

(7)在步骤(6)中建立的具有烧结零件表层性质的二维离散元模型上一侧生成2～3倍铺粉层体积的颗粒堆积，其半径服从正态分布平均值为1mm，标准差为0.05，设置颗粒基本物理属性、接触模型，其中颗粒基本属性(泊松比0.3、剪切模量2.3e+07、颗粒刚度比1.5、阻尼系数0.3、密度2500Kg/m

(8)新建“铺粉墙”位于步骤(3)建立的二维封闭计算区域OY轴处，“铺粉墙”与封闭计算域的Y轴平行，其性质上等同于封闭计算域边界，与颗粒接触为刚性接触，并设置“铺粉墙”沿X轴正方向运动的平移速度为30m/s，模拟铺粉装置在选择性激光中的铺粉过程，对颗粒在具有已烧结零件表面性质的二维离散元模型上方进行铺粉运动的仿真；在步骤(7)中新生成的颗粒在受到“铺粉墙”推动作用后，会在具有烧结零件表面材料属性的刚性墙“Wall”模型上形成颗粒层，可对颗粒层分划网格，对网格内粉末质量进行采样，通过其质量标准差研究其铺粉均匀性；调整“铺粉墙”平移速度以及调整表面粗糙度曲线y′＝kf(x)的缩放系数k，获得不同烧结层表面模型，进一步研究相关因素对粉末颗粒在具有烧结层性质粉末层上铺粉均匀性的影响。