激光增材制造有限元仿真综述

田文浩 孟伟 杜传斌 王家明

摘要：激光增材制造是先进制造热点技术之一，激光增材制造技术是利用计算机将零件三维模型进行分层切片，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。本文主要从激光增材制造温度场、应力场和应力变形方面，总结了激光增材制造有限元仿真的研究现状，在此基础上，探讨了激光增材有限元分析面临的问题和发展前景。

关键词：激光增材制造;温度场;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，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。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。随着有限元技术的发展，激光增材制造仿真中的研究也不断进步，本文主要总结了近年来国内外激光增材制造有限元仿真研究的状况， 并展望了激光增材制造有限元仿真的发展方向。

1.激光增材制造温度场的有限元仿真

和其它领域的有限元模拟研究一样，激光增材制造技术的有限元分析也是从低维发展到高维的。增材制造温度场仿真分析实际上是设置边界条件，建立适当的激光热源模型，采用有限元分析软件其进行求解的过程。薛春芳等人将基体视为“厚板”利用函数解析法建立了移动激光热源下的熔覆温度场二维分析模型，得到了不同工艺参数下的熔覆过程温度场曲线，讨论了工艺参数对温度场的影响，该研究由于对模拟中的热物性参数和边界条件进行了各种假设和简化，而且采用了都是简化的热传导方程，因此与实际的温度场会存在一定的差异。任朝晖等人以钛合金丝材为研究对象，以ABAQUS软件为平台建立了激光熔丝增材制造过程完全热力耦合有限元模型，对激光熔丝成形过程的温度场和应力场进行模拟。结果表明：沉积成形经历了快速加热、快速冷却的过程，随着层数的增加，热累积效应增强;沉积层整体呈拉应力状态，易产生裂纹等缺陷。德国的Schänzel等采用非线性宏观有限元模型，对SLM成形的不锈钢悬臂梁进行了热力耦合仿真， 文章描述了一种用于非线性大尺度有限元模拟的方法，以预测中型零件材料的详细温度历史以及残余应力和变形。

目前激光增材制造在温度场方面的研究，大部分基于有限元仿真分析，包括对SLM和LCD等工艺的激光熔池、高温熔道、激光扫描路径、成形表面、整个增材制造零件的温度场以及成形过程热力耦合的有限元仿真。现今激光增材制造对各类金属粉末温度场的研究趋于成熟。通过温度场仿真，预测拟采用的材料、工艺参数、扫描路径对增材制造零件温度梯度大小及温度分布的影响，以及可能产生的热应力、热变形，从而选择温度梯度最小的工艺方案，减少制件废品率，因此有限元仿真在增材制造温度场分析领域始终发挥着重要的作用。

2.激光增材制造应力场及变形的有限元仿真

在热力学分析中，应力场向来是伴随着温度场产生的，同样激光增材制造技术的热力行为也不例外。由温度场产生的热应力是造成熔覆层开裂的主要原因之一，因此对其应力场的模拟也显得至关重要。

Gu D等人利用有限元方法模拟的Ti-Ni形状记忆合金SLM成型冷却过后内部残余应力场的分布情况。通过有限元对应力场的模拟，可以很直观地研究残余应力的形成机理以及不同工艺参数对于制品残余应力分布的影响规律，从而为增材制造工艺的优化、制品变形开裂等问题的研究和预防，起到非常重要的理论支持和高效预测作用。石力开等人基于ANSYS建立了薄壁件激光直接沉积过程的应力场有限元模拟，由316L不锈钢直薄壁件沉积过程的热应力模拟结果显示，拉应力区出现在基板与沉积部分界面处和沉积部分顶部，拉应力区的位置随激光束的运动不断变化。实验证明，沉积过程中的开裂分别发生在沉积部分顶部和基板与沉积部分界面处的边缘部位顶部开裂出现在顶部拉应力区，边缘开裂出现在界面拉应力区中拉应力最大的边缘部位。

目前关于激光增材制造应力场的有限元仿真的研究进展比较緩慢，相关文献也相对较少。激光增材制造是一个非常复杂的热力学行为，其中各种现象的相互作用，导致了应力场仿真的难度较大，另外，由于激光增材成形件残余应力的测定非常困难，致使模拟结果无法定量的验证。因为这些原因，所以在已经发表的相关文献中，关于应力场的仿真是将其温度场分析结果作为应力场分析载荷来实现这两种物理场耦合的。

激光增材应力变形的仿真分析主要是基于热应力和热应变的分析，熔池内部复杂的物理冶金过程及相变行为对增材过程温度场、应力场有显著影响，需要进一步考虑微观冶金过程的影响，完善现有的仿真技术。激光增材制造过程缺陷的形成模拟及其对成形件变形和开裂的影响，也需要在激光增材控形中进一步考虑。

3.总结与展望

本文综述了激光增材制造温度场、应力场及变形的有限元仿真现状，通过对现有文献的总结，我们了解到：

（1）目前激光增材制造在温度场方面的研究，大部分基于有限元仿真分析，现今，激光增材制造对各类金属粉末温度场的研究趋于成熟。

（2）关于应力场的仿真，目前通常是将其温度场分析结果作为应力场分析载荷来实现这两种物理场耦合的。激光增材制造应力场的有限元仿真的研究进展比较缓慢。

（3）目前激光增材应力变形的仿真分析主要是基于热应力和热应变的分析，很多学者也提出了一些变形测量方法，为激光增材制造变形的研究提供了指导，但激光增材制造变形仍然是增材过程需要急需解决的问题。

有限元仿真技术作为推动激光增材制造发展的重要力量受到越来越多的关注，但激光增材制造有限元仿真的研究也存在以下问题：

（1）激光增材制造的工艺优化方面，为了获得高精度的训练结果，需要大量的试验或仿真数据，耗费许多时间与物质成本。优化算法并使用少量数据得到可靠结果是未来的发展方向，具有重要意义。

（2）随着激光增材制造技术广泛应用于大型复杂结构的制造，残余应力引起的变形开裂问题将限制其广泛应用，因此，开展激光增材制造残余应力变形调控技术的研究有着非常重要的意义。

随着有限元仿真技术的飞速发展及模拟技术的不断普及与应用，有限元仿真技术将成为金属增材制造进一步发展的重要推动力。

参考文献

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山东建筑大学 250101