(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 202211130837.9 (22)申请日 2022.09.16 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 严鹏　杜童程　董雷霆　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 关玲　顾炜 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 增材制造残余应力与变形预测的基于物理 的固有应 变法 (57)摘要 本发明公开了一种增材制造残余应力与变 形预测的基于物理的固有应变 法， 属于增材制造 技术领域。 包括： 提出了更能反映增材制造物理 过程的固有应变计算方法， 将固有应变进行分 解， 大幅提高了残余应力的计算精度； 提出了附 加塑性应变的概念和估算方法， 当进行多熔覆层 合并计算时， 大幅消减了合并层之间不真实的应 力震荡； 提出了将塑性应变分解为局部相关和结 构相关——两部分的思路， 局部相关塑性应变 反 映局部热循环及局部约束的影 响， 而结构相关塑 性应变反映热源路径及结构形状、 尺寸的影响。 本发明可以广泛应用于工业级大尺寸金属构件 的增材过程残 余应力与变形模拟， 在大幅提高计 算效率、 保证变形计算精度的同时， 得到合理的 残余应力计算结果。 权利要求书1页 说明书7页 附图9页 CN 115455776 A 2022.12.09 CN 115455776 A 1.一种增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法， 其特征在于， 包括以 下步骤： 步骤(1)、 代表性小尺寸模型 ‑提取固有应变： 根据目标成形构件的工艺参数、 材料参 数， 建立小尺寸模型， 进 行热弹塑性有限元模拟， 提取某层熔覆时热影响区内各层的局部相 关塑性应 变， 用以计算跟熔覆及各次重熔相对应的局部相关塑性应 变， 作为真实固有应 变； 步骤(2)、 全尺寸构件模型 ‑施加固有应变， 求解目标成形构件残余应力和变形： 根据目 标成形构件的结构尺寸图， 建立成形构件和基板全尺寸 实体模型， 对全尺寸模型划分网格， 得到网格划分后的全尺寸有限元模型， 每次激活N层熔覆层， 计算相应的附加塑性应变， 叠 加真实固有应 变后， 作为总固有应 变， 施加到全尺寸模型进行弹 塑性计算。 2.根据权利要求1所述的增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法， 其 特征在于， 所述 步骤(1)中， 热弹 塑性有限元模拟采用顺序热力耦合的方式， 隐式算法求 解。 3.根据权利要求2所述的增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法， 其 特征在于， 所述步骤(1)中， 熔覆为k层， 每层在熔覆过程中最多受到t次重熔， 分别提取第k – t层熔覆并冷却到室温后中间区域的平均塑性应变、 t次重熔并分别冷却到 室温后中间区域 的平均塑性应 变， 作为局部相关塑性应 变， 其中k>t。 4.根据权利要求3所述的增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法， 其 特征在于， 所述步骤(2)中， 总固有应变等于局部相关塑性应变与附加塑性应变之和， 局部 相关塑性应变通过代表性小尺寸模型的热弹塑性分析计算得到， 而附加塑性应变近似等于 局部相关塑性应 变与弹性应 变的逐层累积。 5.根据权利要求4所述的增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法， 其 特征在于， 所述步骤(2)中， 若N＝1， 即采用逐层激活， 此时附加塑性应变为零， 所施加的固 有应变只包含局部相关塑性应变； 或者为了进一步提高计算效率， 采用多层同时激活， 即N> 1， 此时为了 保证激活层与被覆盖层之 间位移连续， 所施加的固有应变还应包含附加塑性应 变。 6.根据权利要求5所述的增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法， 其 特征在于， 所述步骤(2)中， 考虑到材料熔覆后的多次重熔， 第m层被激活时， 被激活层及其 下面附近s层施加固有应变， 分别表示第m层的熔覆、 第m ‑1至第m–s层的重熔； 激活每一层 时， 被激活层 及其下面附近s层内施加的固有应 变分布相同， 且s＝t。 7.根据权利要求6所述的增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变法， 其 特征在于， 所述步骤(2)中， 利用生死单元法每次激活N层熔覆层， 且被激活前沉积件的单元 为“死单元”， 采用静力学隐式分析步， 需要设置的材料参数和材料模型包括常温下的弹性 常数、 塑性加载函数、 硬化模型和流动法则。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115455776 A 2增材制造残余应力与变形预测的基于物理的固有应变 法 技术领域 [0001]本发明属于增材制造技术领域， 更具体地， 涉及一种增材制造残余应力与变形预 测的基于物理的固有应 变法。 背景技术 [0002]金属增材制造技术是以金属粉末或焊丝为原料， 通过激光或电弧等热源熔化、 快 速凝固逐层沉积 “生长制造 ”， 基于构件CAD模型一步完成全致密、 高性能金属构件的 “近净 成形制造 ”。 其一经提出就 成为受到广泛关注的 “高性能材料制备与复杂构件直接近净成形 一体化”新技术， 在航空、 航天、 兵器、 能源、 化工、 机 械和医疗等领域有广阔的应用前 景。 [0003]但现阶段， 仍存在制约大型金属增材制造技术广泛工业化应用的技术瓶颈。 构件 在增材成形过程中经历的激光或电弧热源的长期周期性剧烈加热与冷却、 移动熔池在 池底 强约束下 的快速凝固收缩等物理现象， 在构件内部产生很大、 极其复杂的残余应力以及应 力集中， 导 致构件严重变形与开裂。 [0004]由于成形过程中热、 力等演化规律极其复杂， 几乎不可能求出控制方程的解析解。 而如果依靠大量试验、 完全凭经验摸索最优的成形控制参数， 无法明确其中的热、 力学机 理， 且存在成本高、 效率低的问题， 特别是航空航 天、 武器装 备等领域中的大型金属构件， 单 个构件制造成本动辄几十万， 甚至几百万， 不允许进行 “试错式”的研制。 因此， 需要发展高 效的数值模拟方法。 [0005]金属增材制造过程是一个强非线性的多物理场耦合问题， 大型构件的应力、 变形 的数值模拟方法主要有 “热弹塑性有限元法 ”及“固有应变法 ”。 但是， 这两种 方法目前存在 明显局限。 [0006]热弹塑性有限元法计算精度较高， 但是计算效率很低， 计算成本很高。 中国发明专 利CN110348072A公开说明一种提高电弧增材构件 热力分析有限元数值计算效率的方法， 该 方法提出了 “模型迭代‑分割计算 ”方法， 取得了较好的效果， 计算效率较传统方法提高了一 倍， 但由于没有量级上的提高， 因此对于大 型构件而言， 计算效率 仍然远远不够。 [0007]固有应变方法计算效率高， 但是现有固有应变法由于过强的主观假设， 缺乏完善 的理论支撑， 计算精度和可靠性存在较大问题， 尤其是无法合理预测大型构件的残余应力。 中国发明专利CN108 399280A公开了一种预测激光选区熔化 成形件变形的有限元仿真方法， 中国发明专利CN113976920A公开了选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及 系统， 二者都是基于固有应变法思想， 针对激光选区熔化成形， 但主要涉及变形的预测， 没 有涉及残余应力的预测。 发明内容 [0008]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点， 提供一种增材制造残余应力与变形 预测的基于物理的固有应变法， 其为一种保证计算精度的同时， 大幅提高计算效率的金属 增材制造残余应力与变形的数值模拟方法。 其基于对增材制造物理过程的观察和规律总说　明　书 1/7 页 3 CN 115455776 A 3