基于Visual Environment的铝合金增材制造温度场数值模拟.pdf

第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言电弧增材制造是一种采用材料逐层累积的方法制造实体零件的新兴快速成型技术。该技术由于设计的灵活性为制备高性能和复杂工况下的产品提供了解决方案1-2。由于其沉积效率高、制造成本低、适合大尺寸构件的近净成形，在金属零件直接制造领域前景广阔3。在制造过程中成形件经过多次的预热处理和后热处理，在此过程中容易出现热裂纹和变形等问题，因此在增材制造过程中控制高温停留时间、减少温度场的分布不均匀和降低残余应力是得到良好构件的关键因素4-5。由于热源峰值温度非常高，温度梯度、加热速率和冷却速率极大，实验中精确测量温度场较困难，数值模拟避免了大量物理实验并能减少成本，通常采用数值模拟的方法分析增材制造中的温度场并进行必要的试验验证。胡艳娇等6研究不同移动速度和激光功率对温度场的影响，得出熔池温度随功率增加而增加，随移动速度增加而减小；陈克选等7通过电弧增材制造研究有无水冷条件对温度场的影响，研究表明在基板水冷条件下增材高温区域小于无水冷条件下的高温区域，并且温度梯度大于无水冷条件的温度梯度；柏久阳8用钨极惰性气体增材制造技术研究 2219 铝合金在扫描方向上的温度场演变规律，得出温度场在起弧一段时间后进入稳定状态，不同层对应位置具有相应的变化。目前学者们在增材制造温度场的研究方面做了许多有益的工作，研究了不同工艺参数和周围环doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.011.006基于 Visual Environment 的铝合金增材制造温度场数值模拟邵海龙，邢彦锋，张小兵，杨夫勇，曹菊勇（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院)摘要 为了探究工艺参数对增材制造温度场的影响，利用 Visual Environment 软件建立 4043 铝合金增材制造有限元模型，考察增材制造沉积方向、层间间隔时间和基板预热温度对温度场的影响，并通过试验验证模拟结果。结果表明，随间隔时间和增材制造层数增加，第 1 层中点峰值温度与谷值温度逐渐降低，反向沉积增材制造可获得更好的成形质量，合理范围内的基板预热可使成形件温度分布更均匀，可为增材成形参数优化提供参考。关键词 增材制造；数值模拟；温度场；Visual Environment 中图分类号 TG444 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)11-0028-06引用格式：邵海龙，邢彦锋，张小兵，等.基于 Visual Environment 的铝合金增材制造温度场数值模拟 J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):28-32,44.Numerical simulation of temperature field in aluminum alloy additive manufacturing based on Visual EnvironmentSHAO Hailong,XING Yanfeng,ZHANG Xiaobing,YANG Fuyong,CAO Juyong(School of Mechanical and Automobile Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract In order to investigate the influence of process parameters on the temperature field of additive manufacturing,a finite element model for additive manufacturing of 4043 aluminum alloy was developed using Visual Environment software to investigate the effects of deposition direction,interlayer interval time and substrate preheating temperature on the temperature field in additive manufacturing,and the simulation results were verified by experiments.The results showed that the peak and valley temperatures at the midpoint of the first layer gradually decreased with the increase of the interval time and the number of additive manufacturing layers,that reverse deposition additive manufacturing could obtain better forming quality,and that the substrate preheating in a reasonable range could lead to a more uniform temperature distribution of the formed parts.It can provide a reference for optimization of additive forming parameters.Key words additive manufacturing;numerical simulation;temperature field;Visual Environment基金项目：上海市自然科学基金（20ZR1422600）收稿日期：2022-11-2729第 61 卷第 11 期境对增材制造温度场的影响，从不同角度分析了温度变化过程，为本文提供了借鉴，但对于间隔时间和预热温度对增材制造温度场的影响还需要深入研究。本文利用 Visual Environment 软件建立 4043 铝合金电弧增材制造有限元模型，分析不同位置的热演变规律，探究增材制造方向、层间间隔时间及基板预热对增材制造温度场的影响，为进一步研究增材制造参数优化和温度场与力学性能的关系提供理论参考与数据支撑。1 有限元模型的建立1.1 有限元模型电弧增材制造试验设备采用奥地利 Fronius公司生产的 TPS4000-CMT 焊机，并使用 KUKA KR5 R1400 机器人控制焊枪运动，使增材制造成形。图 1 为增材制造成形示意图，其中，试验基板为 200 mm180 mm5 mm 的 6061 铝合金板，得到的10 层薄壁件尺寸为100.0 mm5.4 mm21.0 mm，第 1 层高为 3 mm，其余层高为 2 mm。焊丝及铝板化学成分如表 1 所示。图 2 为增材制造有限元网格模型，为保证温度场计算精度、提高计算效率，在沉积层附近网格较密，远离沉积层处网格较疏。网格均采用六面体单元，总单元数为 47 400，总节点数为 57 771。表 1 6061 铝板和 ER4043 焊丝化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy and the ER4043 welding wire(mass fraction)材料ZnMgCrTiSiCuMnFeAl60610.250.81.20.040.350.150.40.80.150.400.15 0.70 BalER4043 0.10 0.050.2050.30.05 0.80 Bal1.2 材料参数将表 1 材料的化学成分输入 JMatPro 得到金属焊丝 ER4043 铝合金热物理性能，结果如表 2 所示。6061铝合金基板热物理性能通过软件材料库加载。表 2 ER4043 焊丝热物理参数Tab.2 Thermal physical parameters of ER4043 welding wire温度 T/导热系数/(W/(mK)比热容 c/(J/(kgK)密度/(g/cm3)252038912.7072002019802.6744001901 1172.6326001151 3452.528800901 1572.3811 000971 1582.3111 2001031 1582.2391.3 热源模型及边界条件温度场模拟采用由 Goldak 提出的双椭球热源模型9，该模型能很好地反映温度场前部短尾部长的特点。在 Visual Environment 软件中为了提高计算的收敛性，将双椭球热源进行了归一化处理，使热流分布更加均匀。其前后 1/4 椭球的热流密度为,expqx y zQaxbyczfff222222=-+_fipH (1),expqx y zQaxbyczrrr222222=-+_eioH (2)式中：Qf，Qr前后 1/4 椭球进行归一化处理后的电弧热输入；af，ar，b，c 椭球的形状参数，其值分别为 2，4，5，4；默认条件 Qf/Qr=1.2。模拟过程中边界条件为工件表面与周边环境的热传导与热辐射，表达式10分别为qh TTcc0=-_i (3)qTTrr404f v=-_i (4)式中：qc对流散热功率；hc材料表面散热系数，W/(mm2)；T增材工程中的瞬间温度；T0室温，取 20。qr辐射散热功率；r材料黑度系数，r=0.8；Stefan-Boltzman 常数，=5.6710-8 W/(mm2 )。1.4 试验验证考虑到实际情况，此次验证试验的层间间隔时图 2 增材制造有限元网格模型Fig.2 Additive manufacturing finite element mesh model图 1 增材制造成形示意图Fig.1 Additive manufacturing forming diagram焊枪基板5.42001801005318单位：mm邵海龙 等：基于 Visual Environment 的铝合金增材制造温度场数值模拟30农业装备与车辆工程 2023 年间设置为 180 s，初始温度与环境温度为 30，其余条件不变。增材制造过程中用 K 型热电偶测量并记录试验基板上表面点 M（如图 3 所示）的瞬时温度-时间变化，对比仿真和试验的热循环结果（如图 4 所示）可以看出，温度曲线变化趋势一致，温度误差小于 15%，说明该模型较准确，可以反映增材制造温度场变化。造成误差的主要原因是模拟中没有考虑试验台的散热以及测量仪器的误差。2 结果与讨论2.1 温度场模拟分析随着热源移动，增材制造路径上的单元逐渐被激活，热源移动至熔覆层中点时得到图 5，分别为冷却时间为 60 s 的第 1、5、10 层的温度场云图，箭头方向为各层增材制造运动方向。图 6 为第 1、5、10 层中点热循环曲线，可以看出，熔池温度场呈现明显的前部短尾部长的椭圆形。这是由于在熔池两侧熔池总体向后流动，回流金属将大部分热带至后部，使得后部等温线较前部宽松。而在熔池前部只有温度较低的空气，温度梯度较大使得等温线稠密，随着层数的增加熔池后方高温区域不断增大。沉积层的温度因热输入、热传导和热损失相互作用而导致动态变化。第 1 层靠近基板，热源产生的热量通过热传导的方式向基板散热，较大的基板面积使得温度明显降低，第 1 层中点温度为 653；第 5 层既受到前几层热累积的影响，又受到后几层热处理的作用，且与基板有一定距离，沉积层的热传导减少，主要为辐射散热，温度场趋于稳定，热源中心点的温度为 1 066；第 10 层由于热量累积和热传导效率进一步降低导致沉积层温度进一步升高为1 222。沿直体薄壁件的生长方向，沉积层区被反复加热，产生的累积能量使新的成形层散热速率减缓，从而使后沉积层高温热扩散区明显大于前层，基板温度上升11。图 3 基板上测温点示意图Fig.3 Diagram of temperature measuring points on the substrate2001809070M图 4 测量结果与模拟结果对比Fig.4 Comparison of measurement results and simulation results1201008060402000 500 1 000 1 500 2 000时间 t/s温度 T/模拟值 测量值 图 6 不同层中点热循环曲线图Fig.6 Midpoint thermal cycle curves of different layers1 4001 200 1 00080060040020000 100 200 300 400 500 600 700 800时间 t/s温度 T/第 1 层第 5 层第10层（c）图 5 单道多层温度场云图Fig.5 Single channel multilayer temperature field cloud image（a）第 1 层 （b）第 5 层 （c）第 10 层（a）（b）615.00000575.33331535.66669496.00000456.33334416.66666377.00000337.33334297.66666258.00000218.33333178.66667139.0000099.3333459.6666720.00000N-133N-18422615.00000575.33331535.66669496.00000456.33334416.66666377.00000337.33334297.66666258.00000218.33333178.66667139.0000099.3333459.6666720.00000N-225N-17755615.00000575.33331535.66669496.00000456.33334416.66666377.00000337.33334297.66666258.00000218.33333178.66667139.0000099.3333459.6666720.00000N-48042N-2093931第 61 卷第 11 期邵海龙 等：基于 Visual Environment 的铝合金增材制造温度场数值模拟2.2 增材制造方向对温度场的影响增材制造方向对增材成形件尺寸精度具有重要影响，同向沉积增材制造时起弧端凸起及收弧端塌陷现象在多层增材成形后更加显著。该现象归因于起弧停留和收弧延迟作用引起的缺陷遗传累积效应，最终严重影响成形件表面质量。探究层间间隔时间为 30 s 时不同增材方向的温度变化，提取左中右 3 点的热循环曲线，结果如图 7（a）和图 8（a）所示。可以看出同向沉积热循环曲线变化过程一致，A、B、C 特征点同层时最高温度依次升高，该现象归因于热源持续的作用，所受到的热量未完全传导至空气中。对比 7（a）与 8（a）可以发现，同层两侧峰值温度与谷值温度基本一致，但在实际增材制造过程中，由于熄弧与起弧两端存在成形缺陷，同向沉积增材会加剧成形缺陷，造成如图 8（b）所示效果；其他工艺参数相同时，反向沉积增材的效果如图 7（b）所示。因此，为获得较好的成形质量需采用反向沉积增材制造形式。2.3 层间间隔时间对温度场的影响在持续增材制造过程中，为保证每一道增材的稳定性，需要一定的冷却时间将增材件内部集中的热量在整个金属材料上得到充分的传导，从而使增材件上温度分布更加均匀，得到更好的增材产品。提取 10 层增材制造第 1 层中点热循环峰值谷值温度，分析不同层间间隔时间对峰值及谷值温度的影响，得到图 9 谷值温度分布图和图 10 峰值温度分布图。由图 9 可见，随层间间隔时间增加，谷值温度逐渐降低，随增材制造层数的增加，谷值温差逐渐增大，这是因为每层增材制造获得能量一致，但层间间隔时间更长就有更多热量传导至周围环境。从图 10 可以看出，第 1 次增材制造开始时，层间间隔时间未发生，各项参数一致，此时峰值温度未发生偏差，之后伴随着增材制造层数的增加，峰值温度逐渐降低，不同层间间隔时间下的温差逐（b）图 7 反向沉积增材制造图Fig.7 Reverse deposition additive manufacturing diagram（a）反向沉积增材温度曲线 （b）反向沉积增材实体（a）80060040020000 100 200 300 400时间 t/s 温度 T/A 点C点B点ACB（a）8006004002000温度 T/0 100 200 300 400时间 t/s A 点C点B点（b）图 8 同向沉积增材制造图Fig.8 Parallel deposition additive manufacturing diagram（a）同向沉积增材温度曲线 （b）同向沉积增材实体图ACB图 9 谷值温度分布图Fig.9 Valley temperature distribution map1401201008060402001 2 3 4 5 6 7 8 9波谷数温度 T/30 s60 s90 s图 10 峰值温度分布图Fig.10 Peak temperature distribution map70060050040030020010001 2 3 4 5 6 7 8 9 10波峰数温度 T/30 s60 s90 s32农业装备与车辆工程 2023 年渐增大，这是由于增材层数增加，热累积增加，但层间间隔时间越长每层起始时温度越低，使得峰值温差更加显著。考虑到实际生产过程条件，增材制造是一个连续制造的过程，其层间间隔时间过长将延长整个零件的制造周期。根据模拟计算结果可知层间选为 60 s 较为合适，既降低了稳定峰值温度，又减少了整个零件增材制造时间。2.4 基板预热对温度场的影响自第 2 层之后，前一层增材制造过程对后一层相当于起到预热作用，为保持每层情况的一致性，对基板进行预热。预热温度分别为常温、50、100、150，图 11 为不同预热温度下的第 1 层中点热循环曲线。图 11 中每条热循环曲线的第 1 个峰值分别为 653、690、752、814，峰值温度随预热温度的增加而增加。这是由于预热增加了基板温度，使得基板与第 1 层间的温差减小，热传导受阻，冷却速率下降，相同时间内，存在增材件内能量更多。对比图 11（a）图 11（d）发现，波谷值连线逐渐趋于平缓，室温下波谷差值约为 66，当预热温度为 50 和 100 时，相应的差值变为 38 和 9；但当预热温度增至 150 时，第 9 层波谷温度小于第 1 层波谷温度两者差值变为 56。研究表明，合理范围内的基板预热可使成形件温度分布更均匀，但预热温度过高会增加谷值温度，改变谷值温度连线变化方式。3 结论（1）本文通过进行实际增材制造试验，测量基板上定点的温度变化曲线，并与相同工艺参数的数值模拟结果相比较，两者的温度变化曲线一致，验证了仿真结果的正确性；（2）在单道多层增材制造中，反向沉积增材制造与同向沉积增材制造 2 种沉积方式峰值温度和谷值温度基本相同，但反向沉积增材制造可获得更好的成形质量；随层间间隔时间增加，第 1 层中点峰值温度和谷值温度均下降；随基板预热温度增加，第 1 层热循环第 1 个峰值逐渐增加，波谷值连线趋于平缓，预热温度过高会改变谷值温度连线变化方式。本研究可为今后增材制造成形参数优化、增材制造温度场与力学性能关系的研究、道间间隔时间与层间间隔时间对多道多层增材制造温度场影响的研究提供借鉴。参考文献1 王迪,邓国威,杨永强,等.金属异质材料增材制造研究进展 J.机械工程学报,2021,57(01):186-198.2 WANG P,LAO C S,CHEN Z W,et al.Microstructure and mechanical properties of Al-12Si and Al-3.5Cu-1.5Mg-1Si bimetal fabricated by selective laser melting J.Journal of Materials Science&Technology,2020,36(01):18-26.70060050040030020010000 200 400 600 800时间 t/s温度 T/（a）0 200 400 600 800时间 t/s7006005004003002001000温度 T/（b）（d）图 11 不同预热温度下的第 1 层中点热循环曲线图Fig.11 Midpoint thermal cycle curves of the first layer at different preheating temperatures（a）常温 （b）50 （c）100 （d）150 90080070060050040030020010000 200 400 600 800时间 t/s8007006005004003002001000温度 T/（b）0 200 400 600 800时间 t/s温度 T/（下转第 44 页）44农业装备与车辆工程 2023 年4 种模型对油耗与排放等级分类性能的整理如表 9 所示。可知在油耗等级评价模型中，除支持向量机分类模型的准确率较低，其他 3 个模型的 4 项指标差别很小，表明 RF、GBDT 和 XGBoost 的分类性能相差不大；排放等级评价模型中，准确率高低排序依次是 XGBoost、RF、SVM 及 GBDT，其余3 项指标同样满足此排序。综上，XGBoost 的分类性能最好，可以准确识别高排放、高能耗车辆。表 9 不同分类模型的效果对比Tab.9 Results of different classification models分类模型准确率/%精确率/%召回率/%F1 值油耗等级评价模型XGBoost_BO99.6299.6599.620.996 2RF_BO99.6299.6599.620.996 2SVM_BO88.7895.5888.780.887 8GBDT_BO98.9899.2698.980.989 8排放等级评价模型XGBoost_BO99.2298.7599.220.992 2RF_BO99.0798.4099.070.990 7SVM_BO98.7698.4098.760.987 6GBDT_BO96.8995.1496.890.968 94 结论针对车载终端采集数据质量良莠不齐影响车辆排放与能耗的测算与分析的问题，提出 NOX排放量测算方法。通过构建重型汽车能耗与排放等级评价模型。划分短行程，并计算特征参数，将每一段短行程的瞬时油耗同对应的排放限值的乘积进行区间分布统计，同时计算每段短行程百公里油耗量与限值的比值；通过 K-Means 对区间分布统计结果进行聚类，将聚类结果作为初级分类结果，随后将区间分布作为输入量，分类结果作为输出量，通过 XGBoost_BO 算法构建能耗等级评价模型；基于 XGBoost 算法输入参数重要程度排序，对输入参数进行优化，降低模型复杂度，并通过贝叶斯优化算法实现模型超参数优化，从而构建了 NOX排放量测算模型，通过该测算模型可以提高重型汽车NOX瞬时排放量的可算比例。参考文献1 2021 年 中 国 移 动 源 环 境 管 理 年 报(摘 录 一)J.环 境 保护,2021,49(Z2):82-88.2 生态环境部 国家市场监督管理总局.重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):GB 17691-2018 S.北京:中国环境科学出版社,2018.3 王燕军,王鸣宇,吉喆,等.国外机动车排放模型综述研究 J.环境与可持续发展,2020,45(05):159-164.4 U.S.Environmental Protection Agency.Motor vehicle emission simulator(MOVES)2010:User guideR.EPA-420-B-09-041.Washington,D.C.,USA,2009.5 NTZIACHRISTOS L,GKATZOFLIAS D,KOURIDIS C,et al.COPERT:A European road transport emission inventory modelC/Environmental Science and Engineering(Subseries:Environmental Science),2009:491-504.6 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