激光增材制造工艺过程的有限元模拟

激光制造中光束熔化过程的数值模拟激光制造中的光束熔化过程是现代制造业中一项重要的技术，它能够将高密度的能量精确定向到材料表面，使其在瞬间熔化并凝固成为所需要的形态。

在激光制造工艺中，光束熔化过程的数值模拟是至关重要的，它可以对加工过程中的温度、速度、形态等参数进行预测和分析，从而帮助制造工程师优化加工参数，提高制造效率和品质。

一、激光制造中的光束熔化过程激光制造是一种高精度、高效率的制造技术，它使用激光束将能量定向到材料表面，使其熔化或蒸发，并以特定的形态凝固成为所需的工件。

光束熔化是激光制造中最常用的加工方法之一，它通过光束对工件表面进行扫描，使材料表面经过高密度的能量瞬间熔化，形成液态态的金属或塑料，随后再利用冷却过程使其凝固形成所需要的形态。

二、光束熔化过程的数值模拟光束熔化过程的数值模拟是激光制造过程中的重要环节，它可以对加工过程中的温度、速度、形态等参数进行预测和分析，从而帮助制造工程师优化加工参数，提高制造效率和品质。

数值模拟方法可以基于几种光束熔化的物理过程，如热输运、相变、流体力学等，使用数学模型对加工过程进行建模和仿真。

通常，数值模拟方法可以在计算机上执行，可将实验成本降至最低，同时大大减少加工发生错误的风险。

在模拟过程中，工程师通常使用有限元或有限体积法对材料、能量传输、相变、流体力学等问题进行建模和求解。

这种方法是编程复杂，需要相应的数学和物理知识。

三、数值模拟在激光制造中的应用实例数值模拟的应用使工程师能够更快地理解激光制造的物理特性，并使他们能够针对特定应用场合制定最佳加工方案。

以下是数值模拟在激光制造中的一些典型应用场景：1.优化激光加工参数数值模拟可以为激光加工过程提供深入的了解，从而发现材料的变化、熔池的形成和热应力等问题。

这些都有助于工程师进行参数优化，以实现更高的精度、更高的效率和更高的质量。

2.预测材料变化和形变数值模拟也可以帮助工程师预测熔化和固化过程中材料变形和形状变化。

激光增材制造过程数值仿真技术综述激光增材制造（LAM）是一种先进的快速成型技术，它利用激光熔化金属粉末来逐层构建复杂的零件和结构。

这种技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着广泛的应用。

在激光增材制造过程中，数值仿真技术扮演着重要的角色，可以帮助优化工艺参数、预测材料性能和预测构件的变形等问题。

本文将就激光增材制造过程中的数值仿真技术进行综述，包括其基本原理、建模方法、影响因素等方面的内容。

一、激光增材制造的基本原理激光增材制造是一种以激光熔化金属粉末为基础的快速成型技术。

其基本原理是利用激光束瞬间加热金属粉末，使其熔化并与基底材料结合，从而形成复杂的三维结构。

激光增材制造的工艺包括激光熔化、材料沉积和热循环等环节，其中的激光熔化过程是整个工艺中最关键的环节。

在这一过程中，激光功率、扫描速度、层间距离等工艺参数会对成形结构的质量产生重要影响。

二、激光增材制造的数值仿真建模数值仿真是激光增材制造过程中不可或缺的一部分，它可以帮助工程师优化工艺参数、预测材料性能和预测构件的变形等问题。

在激光增材制造中，数值仿真建模主要包括以下几个方面：1.热流体模拟激光增材制造中的热流体模拟是一个复杂的多物理过程，涉及到激光传热、熔化金属粉末和热应力等问题。

采用有限元方法，可以模拟激光熔化过程中的温度场分布、熔池形态等关键参数，从而辅助工程师优化激光功率、扫描速度等工艺参数。

2.相变模拟激光增材制造中的相变过程是影响构件质量的重要因素，通过数值仿真可以模拟金属粉末的熔化和凝固过程，预测构件的组织结构和性能。

3.热应力模拟激光增材制造过程中由于快速加热和冷却会产生较大的热应力，通过数值仿真可以模拟构件的变形和裂纹分布，从而优化工艺参数和提高构件的质量。

三、激光增材制造数值仿真技术的应用激光增材制造数值仿真技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着广泛的应用。

其中，激光增材制造在航空航天领域的应用最为突出，它可以制造复杂的轻质结构零部件，提高整体结构的强度和耐久性。

材料工程Journal of Materials Engineering第4 9卷 第4期2021年4月第52-62页Vol. 4 9 No. 4Apr. 2021 pp. 52―62金属激光3D 打印过程数值 模拟应用及研究现状Application and research status of numerical simulation of metallaser 3D printing process杨 鑫1，王 犇】，谷文萍2,张兆洋】，刘世锋3,武 涛1(1西安理工大学材料科学与工程学院，西安710048；2长安大学材料科学与工程学院，西安710061 ；3西安建筑科技大学冶金学院，西安710055) YANG Xin 1, WANG Ben 1 ,GU Wen-ping 2 , ZHANG Zhao-yang 1 , LIU Shi-feng 3 ,WU Tao 1(1 Department, of Materials Science and Engineering ,Xi ?an University ofTechnology, Xi an 71 0048, China ； 2 Department, of Materials Scienceand Engineering , Chang ? an University , Xi ? an 710061 , China ;3 School of Metallurgical and Engineering ,Xi ?an Universityof Architecture & Technology, Xi an 71 0055, China)摘要：数值模拟可以高效、有针对性地对金属激光选区熔化成型过程中的温度场、熔池形状、残余应力和变形、凝固过程 微观组织演变等过程建立相应的模型并对成形件的相关性能做出准确预测，为工艺优化提供科学的依据，显著降低工艺开发成本和缩短工艺开发周期，有力推动金属增材制造向工业级应用的转变。

金属材料激光相变硬化的三维数值模拟
金属材料激光相变硬化的三维数值模拟是模拟金属材料激光热处理过程的基础。

该模拟技术可以模拟实际的激光热处理过程，从而得出材料的热处理过程的有效性、效率、质量和环境影响等等方面的报告。

1.模拟原理
金属材料激光相变硬化的三维数值模拟基于有限元技术，其主要分为基本模型、过程模拟、结果分析等技术步骤。

在基本模型中，将形变的速度转变和应力的变化，以及材料造就的表面形变、热流、应力和强度变化，均进行了完整的数值模拟；过程模拟中，通过考虑优化步骤，建立操作程序，以获得最优的激光热处理参数；而结果分析则是获取激光热处理过程中表面形变和应力分布等结果，以及控制因素对比，实现激光热处理效果的较优化。

2.技术优势
金属材料激光相变硬化的三维数值模拟技术可以有效确定材料所需的激光热处
理参数，有效地提高材料的热处理性能，减少测试和调试的时间和成本，在保证质量的情况下提高生产效率。

此外，该技术还可以将激光热处理更加精准化，对热处理缺陷的精确监测和降解，从而有效地保证材料的热处理性能和收益，且激光热处理过程进行精确有效的节能。

3.应用场景
金属材料激光相变硬化的三维数值模拟技术具有广泛的应用场景。

比如，该技
术可用于金属零件的表面增强、热处理参数的优化确定等，也可以在金属材料热处理后进行性能分析，检测材料本身是否满足热处理要求；此外，该技术还可以在金属材料热处理后进行性能分析，并根据工程's需求进行性能优化。

4.总结
总的来说，金属材料激光相变硬化的三维数值模拟可以更精准有效地模拟激光
热处理过程，为激光热处理工艺优化提供技术支持，提高材料热处理性能，为提高金属材料热处理质量提供质量和效率保证。

选择性激光烧结的三维有限元模拟选择性激光烧结的三维有限元模拟3D Finite Element Simulation of Selective Laser Sintering Process沈阳飞机⼯业(集团)有限公司韩　松[摘要]　建⽴了三维有限元模型⽤来模拟Fe -Cu 粉末体系的选择性激光烧结过程。

分析的结果不仅有助于粗略地估计单⾏烧结的烧结区域尺⼨,优化加⼯参数,⽽且在确定能量密度和材料选择⽅⾯也提供了有益的建议。

关键词:快速成型　选择性激光烧结　有限元模拟[ABSTRACT]　A 3D FE model is developed to simulate the selective laser sintering (SL S )process of Fe -Cu powder mixture.The analysis results can not only be a help to roughly estimate the sintering zone dimen 2sion of a single sintered line and define the optimized processing parameters ,but also can provide some useful suggestions about energy density defermination and ma 2terial selection.K eyw ords :R apid prototyping Selective laser sin 2tering (SLS)　Finite element simulation1　概述⾦属粉末的选择性激光烧结(SL S )属于快速原型制造技术。

它使⽤零件的CAD 模型作为输⼊数据,按层层叠加的⽅式⽣成三维零件,⽽不像传统的加⼯⼯艺那样使⽤任何成型模具或⼯具。

激光增材制造工艺过程的有限元模拟∗张昭;葛芃【摘要】激光增材制造工艺过程中热应力的大小及变化规律显著影响加工质量和工件的可靠性，为了明确激光增材制造过程中热应力的变化，采用生死单元技术对激光增材制造过程进行模拟，并采用双椭球热源模型模拟激光热源，从而计算激光增材制造过程中温度场分布、热应变及热应力变化过程。

计算结果表明，激光增材制造过程中，增材厚度、增材层数等制造工艺对整体温度场影响较大，增材厚度越大，增材层数越少，激光增材制造峰值温度越低，材料温度变化幅度越小。

在激光增材制造过程中，出现明显拉应力，有可能是导致激光增材制造过程中材料断裂的重要原因。

激光增材制造过程中，变化的热应力具有峰值较高，变化速度较快，持续时间较长的特点。

%The variations of the thermal stresses in laser additive manufacturing can significantly affect the reliability and qual-ity of the manufactured workpieces. To determine variation of the thermal stresses, the laser additive manufacturing process is simulated by use ofactive/inactive element method. The double-ellipsoid heat source model is used for the simulation of the laser input heat. The temperature distribution and the thermal strain and stress can be then calculated. Results indicate that the temperature in additive manufacturing can be obviously affected by the additive thicknesses and the additive layers. The maximum temperature and the temperature variations in AM can be decreased with the increase of the additive thicknesses and the decrease of the additive layers. In laser AM, tensile stress can be easily found. It can be one of the main reasons for the possible fracture in laser AM. In thelaser additive manufacturing process, the variational thermal stress has very high peak, and it has advantages of change quickly and last a relatively long period.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2016(029)003【总页数】4页(P136-139)【关键词】激光增材制造;数值模拟;温度场;热应变;热应力【作者】张昭;葛芃【作者单位】大连理工大学运载工程与力学学部工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系，辽宁大连 116024;大连理工大学运载工程与力学学部工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系，辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】V261.8通过激光增材制造（AM）对材料进行逐层连接，实现高参数化、低消耗、高效率的装备制造，逐渐成为以数字化工业变革为理念的高端工业领域的主要制造手段。

激光粉末沉积温度场和应力场的有限元数值模拟的开题报告一、选题背景激光粉末沉积（Laser Powder Deposition, LDP）是一种新型的快速成形技术，能够制造形状复杂、功能性强的金属零件，广泛应用于汽车、航空航天、医疗设备等领域。

激光粉末沉积的过程包括材料的熔化、凝固、应力产生等多个环节，其中温度和应力是影响零件质量和性能的重要因素。

因此，对激光粉末沉积温度场和应力场的数值模拟研究，具有重要的理论和应用价值。

二、研究内容本课题将通过有限元数值模拟的方法，分析激光粉末沉积过程中温度场和应力场的分布规律和变化趋势。

具体研究内容包括：1. 建立激光粉末沉积温度场和应力场的有限元计算模型；2. 分析激光粉末沉积过程中的温度场分布情况及其变化趋势；3. 分析激光粉末沉积过程中的应力场分布情况及其变化趋势；4. 研究激光功率和扫描速度等工艺参数对温度场和应力场的影响。

三、研究方法和技术路线本课题将采用有限元模拟方法，通过ANSYS软件建立激光粉末沉积温度场和应力场的计算模型，进行数值模拟计算。

具体技术路线如下：1. 根据实际工艺参数和材料性质，建立有限元模型；2. 设置合适的求解器和边界条件，进行数值模拟计算；3. 对模拟结果进行分析和评估，优化模型参数和计算效果；4. 对模型进行验证和可靠性分析。

四、研究预期结果本课题将以激光粉末沉积温度场和应力场的有限元数值模拟为基础，分析激光粉末沉积过程中温度场和应力场的变化规律，研究激光功率和扫描速度等工艺参数对温度场和应力场的影响。

预期结果包括：1. 温度场和应力场的分布规律；2. 激光功率和扫描速度对温度场和应力场的影响规律；3. 温度场和应力场对零件性能的影响分析。

五、参考文献[1] Qin L Y, Shen J, Lu F G, et al. Numerical simulation of temperature field in laser powder deposition process[J]. Applied Mechanics & Materials, 2013, 361-363: 1907-1911.[2] Wang Z, Liu Y, Zhang J, et al. Finite element simulation of stress field in the process of laser cladding based on ANSYS software[J]. Materials Science Forum, 2016, 861: 241-247.[3] Chen Y, Chen L, Yang J, et al. Research on numerical simulation technology of stress field in selective laser melting process[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 233(20): 149-157.。

面向激光增材制造的多物理场耦合结构拓扑优化方法1 引言激光增材制造（LAM）是近年来发展迅速的一种先进制造技术，其利用激光束将金属或塑料等材料一层一层地加工成3D结构。

该技术具有优异的生产效率、设计自由度高、节能环保、减少浪费等优点。

与传统制造方式相比，LAM制造的产品具有更高的精度和质量。

但是，LAM制造过程中存在各种物理场耦合、热应力、变形等问题。

这些问题不仅会导致结构质量和准确性下降，还会使产品寿命缩短，甚至出现安全隐患。

因此，如何优化LAM的结构设计，提高其质量和稳定性，是当前研究的热点之一。

2 LAM的多物理场耦合问题LAM制造过程中，涉及到多个物理场的相互作用，如热场、应力场、变形等。

其中最主要的问题是热应力造成的变形。

由于LAM制造中的快速加热和冷却，会导致材料的温度变化和形状变形。

这种变形不仅对结构的精度和准确性造成影响，还会对结构的耐久性和可靠性产生影响。

因此，必须考虑热应力造成的变形和变形对产生的物理场的影响，并采取相应的措施进行优化。

3 结构拓扑优化的基本原理结构拓扑优化是一种优化结构形状和大小的方法，通过重新设计结构的拓扑结构，以获得更高的性能和较低的成本。

该方法包括两个基本步骤：1）创建一个初始结构；2）重新设计拓扑结构。

首先，设计者需要创建一个目标结构，以满足特定的要求。

然后，通过对该结构进行优化，以获得更高的性能和较低的成本。

为了实现优化，设计者需要指定一系列的约束条件，如质量、材料成本和几何形状等。

基于这些约束条件，可以采用优化算法进行求解和优化。

最终得到的结构形状能够满足设计要求，同时具有更高的性能和较低的成本。

4 LAM的结构拓扑优化方法针对LAM制造过程中的多物理场耦合问题，可以采用结构拓扑优化方法进行优化。

方法的基本步骤如下：4.1 建立数值模型首先，需要建立一个数值模型，以模拟LAM制造过程中的物理场。

该模型应包含多个物理场，包括热场、应力场、变形等。

基于这种模型可以对结构进行数值模拟分析，以分析结构的变形和物理性能。

Inconel 718往复增材制造应力场及变形仿真分析摘要：激光增材制造工艺过程中热应力的大小及变化规律显著影响加工质量和工件的可靠性，为了明确激光增材制造过程中热应力的变化，采用生死单元技术对激光增材制造过程进行模拟，并采用高斯热源模拟激光热源，从而计算激光增材制造过程中热应变及热应力变化过程。

在激光增材制造过程中，出现明显拉应力，有可能是导致激光增材制造过程中材料断裂的重要原因。

激光增材制造过程中，变化的热应力具有峰值较高，变化速度较快，持续时间较长的特点。

关键词：激光增材制造；应力场；有限元分析0.引言激光增材制造技术作为一种新兴的制造技术已改变现有工业零部件的设计生产制造方式。

激光增材制造技术利用计算机将零件三维CAD模型进行分层切片，以高能量密度激光束为热源将材料熔化凝固，逐层堆积形成实体零件。

激光增材制造技术可以实现多种材料、复杂结构零件的致密成形，综合力学性能优于铸造件，可以显著缩短制造周期，适用于新产品的开发、复杂零件的定制生产[1]。

目前激光增材制造技术主要包括同轴送粉式激光金属沉积(laser melting deposition， LMD)技术[2]和铺粉式选区激光熔化(selective laser melting，SLM)技术[3]。

目前，激光增材制造技术已实现铁基合金、钛合金、铝合金、镍基高温合金、钴基合金、铜合金、钨、金等金属材料的加工[4-6]。

随着激光增材制造技术的快速发展，该技术已经在航空航天、医疗器械、汽车制造和模具制造等领域广泛应用。

现阶段，从国内外激光增材制造的发展情况来看，真正走向产业化的技术方向还属少数，这是因为基础理论积淀、关键技术突破、工程化应用技术成熟度、技术研发商业化推广等方面在不同程度上制约了激光增材制造技术产业化应用[7]。

增材制造是当今制造领域的一个热点问题[8]，然而，由于实际加工中工艺的限制，在材料、几何形状，公差、残余应力及强度方面生产的制件并不总是可使用的。