(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211304343.8 (22)申请日 2022.10.24 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710048 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 赵纪元　张祎辉　张万年　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 安彦彦 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方 法 (57)摘要 本发明公开了一种基于电子束粉末床熔化 的数值模拟方法， 根据在铺粉时金属粉末颗粒的 粒径分布、 铺粉层厚和刮刀移动速度， 建立电子 束增材制造装 备的铺粉仿真模型； 通过铺粉仿真 模型， 生成一定数量的粉末颗粒， 颗粒在刮刀作 用下， 在铺设区得到粉末床模型， 提取粉末床模 型并模型下方建立基板， 得到离散体粉末床颗粒 模型； 在离散体粉末床颗粒模型的计算域中求解 电子束作用下的粉末床颗粒传热传质 控制方程 和蒸汽反冲力， 得到熔池的温度场、 形貌变化及 成型质量。 本发 明在介观尺度下模拟电子束与粉 末颗粒耦合的过程， 对多物理场耦合下的电子束 粉末床进行数值模拟， 通过对不同工艺参数下温 度场和熔池 形貌的观察， 能够为实际加工过程提 供指导。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115495928 A 2022.12.20 CN 115495928 A 1.一种基于电子束粉末 床熔化的数值模拟方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 采集电子束增材制造装备在铺粉时金属粉末颗粒的粒径分布、 铺粉层厚和刮刀 移动速度； 根据金属粉末颗粒 的粒径分布、 铺粉层厚和刮刀移动速度建立电子束增材制 造 装备的铺粉仿真模型； 步骤2， 基于金属粉末颗粒材料接触力， 通过铺粉仿真模型， 生成粒径呈正态分布的颗 粒， 颗粒在刮刀作用下， 在铺设区得到粉末床模型， 将粉末床模型提取， 并在粉末床模型下 方建立与粉末 床模型面积等大的基板， 得到 离散体粉末 床颗粒模型； 步骤3， 离 散体粉末 床颗粒模型进行网格划分后， 作为计算 域； 步骤4， 金属粉末颗粒受热后形成熔池， 将蒸汽反冲力施加到熔池表面， 在计算域中求 解电子束作用下 的粉末床颗粒传热传质控制方程， 得到熔池的温度场、 形貌变化及成型质 量。 2.根据权利要求1所述的一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方法， 其特征在于， 金 属粉末颗粒材料接触力包括粉末颗粒之 间的接触力和范德华力； 接触力通过赫兹接触模型 模拟； 范德华力通过JKR凝聚力模型模拟。 3.根据权利要求2所述的一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方法， 其特征在于， 赫 兹接触模型如下： Fs＝‑Ssδs 其中， Fn和 分别为颗粒的法向接触力和阻尼力， Fs和 分别为颗粒的切向接触力和阻 尼力； E*、 R*和m*分别为杨氏模量、 等效半径和质量； δn、 Sn和vn分别为重叠量、 法向刚度和速 度分量； δs、 Ss和vs分别为重 叠量、 切向刚度和速度分量； β 为与恢复系数相关的常量。 4.根据权利要求1所述的一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方法， 其特征在于， JKR凝聚力模型如下： 其中， γ为颗粒表面能量， E*为杨氏模量， α 为接触面积的等效半径， R*为颗粒等效半径。 5.根据权利要求1所述的一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方法， 其特征在于， 电 子束作用下的粉末 床颗粒传热传质控制方程如下： 连续性方程： 动量守恒方程：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115495928 A 2能量守恒方程： 式中， ρ、 p、 T分别 为密度、 压强和温度， u为x方向上的流体运动速度， K0为热传导率， μ为 液体粘度， t为时间， fl为液体体积分数， Tref为参考温度， Δ H为蒸发焓， q为热源。 6.根据权利要求5所述的一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方法， 其特征在于， 热 源通过下式计算： 式中， Q为热流密度， R为电子束束斑半径， x 为沿x轴的坐标， y为沿y轴的坐标， xs为x轴的 初始坐标， ys为y轴的初始坐标。 7.根据权利要求1所述的一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方法， 其特征在于， 蒸 汽反冲力prec通过下式计算： 式中， pag为环境压力， Δ Hv为蒸发焓， T为温度， Tb为材料沸点， Rg为气体常数。 8.根据权利要求1所述的一种基于电子束粉末床熔化的数值模拟方法， 其特征在于， 采 用离散单元法在基板上 方生成粒径呈正态分布的颗粒。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115495928 A 3