金屬增材制造多尺度多物理場前沿計算方法啟示

來源：中國力學學會


由《力學學報》編委會與編輯部共同主辦的《力學者說》系列學術論壇第5期，于2022年5月15日順利舉辦。北京理工大學先進結構技術研究院廉艷平教授在論壇中做了學術報告，報告題為《金屬增材制造的多尺度多物理場前沿計算方法》。

報告介紹了金屬增材制造的研究背景，金屬增材制造技術是一種基于數(shù)字模型的設計制造一體化 “近凈”成形技術，具有材料性能可調控、復雜結構快速成形、可定制化、低成本等優(yōu)點，在航空、航天、交通和核電等領域有巨大的應用空間和廣闊的發(fā)展前景，近年來受到工業(yè)界和學術界的廣泛關注和高度重視�，F(xiàn)階段，金屬增材制造技術雖得到了快速發(fā)展并取得了成功的典型工程應用，但其深入發(fā)展仍面臨著諸多難題和挑戰(zhàn)，涉及力學、光學、材料、機械、控制等多個學科。

由于多工藝參數(shù)綜合作用下的冶金缺陷形成機理、微觀組織演化規(guī)律、翹曲變形與分層開裂預測、表面質量和成形尺寸精度控制等基礎理論問題尚未完全突破，金屬增材制造在構件成形精度、力學性能以及成形效率等方面面臨的問題，限制了其在工程中的廣泛深入應用。因此，發(fā)展高效可靠的數(shù)值模擬方法，開展制造過程模擬、缺陷分析、性能預測和工藝優(yōu)化，具有重要的科學意義和工程價值。

廉教授圍繞上述關鍵問題，介紹了金屬增材制造多尺度多物理場數(shù)值模擬算法方面的最新研究進展。

針對傳熱傳質過程，廉教授介紹了目前的三類模型：粉末尺度的熱流耦合模型，基于等效連續(xù)體假設的熱流耦合模型以及基于等效連續(xù)體假設的純熱傳導模型。

其中，廉教授重點介紹了其課題組在第一類模型中的最新工作，高保真移動多級網(wǎng)格算法。該算法采用移動精細網(wǎng)格（亞顆粒尺度）求解熔池熱流場，粗網(wǎng)格（大于顆粒尺度）求解溫度遠場，并通過數(shù)據(jù)映射實現(xiàn)兩者的關聯(lián)，采用離散元自適應轉化方法實現(xiàn)其在兩套網(wǎng)格中的求解。因此，該算法兼顧了計算精度和效率，為基于粉末顆粒的金屬增材制造過程高保真數(shù)值模擬提供了一種新的高效高精度算法。

針對金屬增材制造中成形材料微觀組織演化過程，廉教授介紹了目前常用的三類算法：相場法、元胞自動機法和Monte Carlo算法。其中，廉教授著重介紹了其課題組基于元胞自動機法的工作，并提出了擴展元胞自動機法。該算法實現(xiàn)了凝固初生相和晶粒粗化過程的數(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。

進一步，針對金屬增材制造成形過程和微觀組織高保真計算規(guī)模大的問題，廉教授介紹了其課題組發(fā)展的“成形過程-微觀組織”數(shù)據(jù)驅動的高效計算方法，實現(xiàn)了成形溫度場、微觀組織特征的高效預測。

針對成形材料力學性能評估，廉教授介紹了基于數(shù)據(jù)壓縮的晶體塑性自洽聚類分析算法，揭示了工藝參數(shù)對成形材料基本力學性能的影響。進一步，介紹了其課題組發(fā)展的殘余應力多尺度分析算法，實現(xiàn)了晶粒尺度的殘余應力分析，為金屬增材成形件疲勞性能高精度分析提供了一種關鍵技術。

針對成形構件性能評價需求，廉教授介紹了多級hp圖像有限胞元法，通過數(shù)值模擬揭示了真實制造幾何形貌和內部缺陷對成形構件性能的影響。該算法可實現(xiàn)計算機斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)與數(shù)值離散模型的一體化建模分析，且計算效率高于傳統(tǒng)的體素有限元法。

最后，廉教授對上述工作進行了全面總結，對金屬增材制造多尺度多物理場耦合數(shù)值模擬理論與算法未來發(fā)展方向進行了展望，以期推動金屬增材制造技術成形理論和工程應用方面的進一步發(fā)展，促進力學學科在相關領域的深入發(fā)展。