金屬增材制造多尺度多物理場(chǎng)前沿計(jì)算方法啟示

來(lái)源：中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)


由《力學(xué)學(xué)報(bào)》編委會(huì)與編輯部共同主辦的《力學(xué)者說(shuō)》系列學(xué)術(shù)論壇第5期，于2022年5月15日順利舉辦,。北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院廉艷平教授在論壇中做了學(xué)術(shù)報(bào)告，報(bào)告題為《金屬增材制造的多尺度多物理場(chǎng)前沿計(jì)算方法》,。

報(bào)告介紹了金屬增材制造的研究背景，金屬增材制造技術(shù)是一種基于數(shù)字模型的設(shè)計(jì)制造一體化 “近凈”成形技術(shù),，具有材料性能可調(diào)控,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速成形、可定制化,、低成本等優(yōu)點(diǎn),，在航空、航天,、交通和核電等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用空間和廣闊的發(fā)展前景,，近年來(lái)受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和高度重視。現(xiàn)階段,，金屬增材制造技術(shù)雖得到了快速發(fā)展并取得了成功的典型工程應(yīng)用,，但其深入發(fā)展仍面臨著諸多難題和挑戰(zhàn)，涉及力學(xué),、光學(xué),、材料、機(jī)械,、控制等多個(gè)學(xué)科,。

由于多工藝參數(shù)綜合作用下的冶金缺陷形成機(jī)理、微觀(guān)組織演化規(guī)律,、翹曲變形與分層開(kāi)裂預(yù)測(cè),、表面質(zhì)量和成形尺寸精度控制等基礎(chǔ)理論問(wèn)題尚未完全突破，金屬增材制造在構(gòu)件成形精度,、力學(xué)性能以及成形效率等方面面臨的問(wèn)題,，限制了其在工程中的廣泛深入應(yīng)用。因此,，發(fā)展高效可靠的數(shù)值模擬方法,，開(kāi)展制造過(guò)程模擬、缺陷分析,、性能預(yù)測(cè)和工藝優(yōu)化,，具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

廉教授圍繞上述關(guān)鍵問(wèn)題，介紹了金屬增材制造多尺度多物理場(chǎng)數(shù)值模擬算法方面的最新研究進(jìn)展,。

針對(duì)傳熱傳質(zhì)過(guò)程,，廉教授介紹了目前的三類(lèi)模型：粉末尺度的熱流耦合模型，基于等效連續(xù)體假設(shè)的熱流耦合模型以及基于等效連續(xù)體假設(shè)的純熱傳導(dǎo)模型,。

其中,，廉教授重點(diǎn)介紹了其課題組在第一類(lèi)模型中的最新工作，高保真移動(dòng)多級(jí)網(wǎng)格算法,。該算法采用移動(dòng)精細(xì)網(wǎng)格（亞顆粒尺度）求解熔池?zé)崃鲌?chǎng),，粗網(wǎng)格（大于顆粒尺度）求解溫度遠(yuǎn)場(chǎng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)映射實(shí)現(xiàn)兩者的關(guān)聯(lián),，采用離散元自適應(yīng)轉(zhuǎn)化方法實(shí)現(xiàn)其在兩套網(wǎng)格中的求解,。因此，該算法兼顧了計(jì)算精度和效率,，為基于粉末顆粒的金屬增材制造過(guò)程高保真數(shù)值模擬提供了一種新的高效高精度算法,。

針對(duì)金屬增材制造中成形材料微觀(guān)組織演化過(guò)程，廉教授介紹了目前常用的三類(lèi)算法：相場(chǎng)法,、元胞自動(dòng)機(jī)法和Monte Carlo算法,。其中，廉教授著重介紹了其課題組基于元胞自動(dòng)機(jī)法的工作,，并提出了擴(kuò)展元胞自動(dòng)機(jī)法,。該算法實(shí)現(xiàn)了凝固初生相和晶粒粗化過(guò)程的數(shù)值模擬，為金屬增材制造控性工藝優(yōu)化提供了一種有效的數(shù)值模擬方法,。

進(jìn)一步,，針對(duì)金屬增材制造成形過(guò)程和微觀(guān)組織高保真計(jì)算規(guī)模大的問(wèn)題，廉教授介紹了其課題組發(fā)展的“成形過(guò)程-微觀(guān)組織”數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高效計(jì)算方法,，實(shí)現(xiàn)了成形溫度場(chǎng),、微觀(guān)組織特征的高效預(yù)測(cè)。

針對(duì)成形材料力學(xué)性能評(píng)估,，廉教授介紹了基于數(shù)據(jù)壓縮的晶體塑性自洽聚類(lèi)分析算法,，揭示了工藝參數(shù)對(duì)成形材料基本力學(xué)性能的影響。進(jìn)一步,，介紹了其課題組發(fā)展的殘余應(yīng)力多尺度分析算法,，實(shí)現(xiàn)了晶粒尺度的殘余應(yīng)力分析，為金屬增材成形件疲勞性能高精度分析提供了一種關(guān)鍵技術(shù),。

針對(duì)成形構(gòu)件性能評(píng)價(jià)需求,，廉教授介紹了多級(jí)hp圖像有限胞元法，通過(guò)數(shù)值模擬揭示了真實(shí)制造幾何形貌和內(nèi)部缺陷對(duì)成形構(gòu)件性能的影響,。該算法可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)與數(shù)值離散模型的一體化建模分析,，且計(jì)算效率高于傳統(tǒng)的體素有限元法,。

最后，廉教授對(duì)上述工作進(jìn)行了全面總結(jié),，對(duì)金屬增材制造多尺度多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬理論與算法未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望,，以期推動(dòng)金屬增材制造技術(shù)成形理論和工程應(yīng)用方面的進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)力學(xué)學(xué)科在相關(guān)領(lǐng)域的深入發(fā)展,。