激光快速成形数值模拟可视化人机对话系统设计

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第 1O期2013年 1O月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 145激光快速成形数值模拟可视化人机对话系统设计王福雨 ，一，刘伟军 ，赵宇辉 ，来佑彬 ．一，孔 源(1．中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016；2．中国科学院大学，北京 100039)摘 要：深入研究生死单元技术以及MSC．MARC的命令流文件后，开发了用于钛合金激光快速成形三维有限元模拟的可视化前处理和结果提取系统。简化数值模拟建模过程，使不了解 MSC．MARC操作的研究人员可以方便进行快速成形的仿真分析和结果提取。该系统主要有五部分组成：建立符合规定几何形状的有限元工件和基板，材料属性，光源设置，以及后处理。通过榆 目应参数可以得到MSC．MARC的命令流文件，运行该文件便可进行快速成形过程的仿真。降低钛舍金激光快速成形的模拟难度，使多组参数可以轻松进行对比模拟。采用两组参数利用该系统进行实例计算，并得到满意结果。

关键词：前处理；MSC．MARC；有限元；快速成形中图分类号：TH16；TN249 文献标识码 ：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0145—03Design of Visual Man-Machine Conversation System of LaserRapid Prototyping Numerical SimulationWANG Fu-yu ，LIU Wei-jun ，ZHAO Yu—hui ，LAI You—bin ，KONG Yuan(1．Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Liaoning Shenyang 1 10016，China；2．University of Chinese Academy of．Sciences，Beijing 100039，China)Abstract：Developing MⅡf pretreatment and result extraction system of three dimensional finite element simulation fortitanium alloy laser rapid prototyping， r itfurther studies of birth-death element and command streana It simplifed thenumerical simulation modeling process，thus who do not understand MSC．MARC operation can facilitate the simulationanalysis and results extractionofrapidprototyping．This systemmainlyhasfiveparts：it establishedthegeometryfinite elementto the workpiece and base plate in accordance with the provisions，material propen&s，light setup，and post-processing.

Through the corresponding input parameters can get MSC．MARC command stream，and run the file can make rapidprototyping process simulation．It made the simulation of titanium alloy laser rapid prototyping easier，and more sets ofparameters can be easily made contrast simulation．It by using two groups ofparameters utilizes the system for examplecalculation，andget satisfied results.

Key W ords：Pretreatment；M SC．M ARC；FEM ；Rapid Prototyping1引言随着计算机技术和数值求解技术的发展，数值模拟技术在各个领域中发挥着越来越大的作用。但是对激光陕速成形过程进行数值模拟，过程复杂，需要很多复杂的前处理和后处理操作 ，需要了解很多相关知识和软件操作技能，且很难快速得到满意的结果。

目前哈尔滨某大学进行了大量关于焊接数值模拟和工艺参数专家系统的开发㈣，在降低操作难度上取得了很大突破；但是现在还很少有关于决速成形模拟系统开发的介绍。金属直接激光制造过程中，试验过程的温度、应力很难直接测量，数值模拟成为观测试验结果的最佳选择。虽然现有的商用软件可以进行这类模拟 ，但是热源加载 、成形路径设置、材料性能、相变潜热、边界条件加载等问题使软件的应用受到了限制。简化操作流程，使操作的项目和实际加工参数对应是推广有限元分析亟待解决的问题。

— 般的有限元模型都是 百八侗模型，然J舌戈吩网格得到有限元模型，之后沲n 件，再求解，最后进行结果的后处理。但是焊接以及陕速成形的数值模拟都是利用的生死单元技术 ，因此单元编号顺序就很重要。如果想让单元的编号和快速成形的路径—致，那最好是采用自底向上建模，这样得到的模型可以方便的进行单元的生死控制。因此，针对陕速成形的有限元模拟—般步骤是：自底向上建立有限元模型，添加材料屙陛，在路径上施加移动高斯热源及冷却条件，最后是结果的查看。利用功能强大的VC++语言，设计可视化参数输入界面，生成过程文件 ，这样可以方便懂得文件内容的 进^行查看和添加命令。利用MARC前处理器MENTAT完成建模的过程，MSC．MARC完成求解和进行后处理。使模型的几何参数，加工参数可以和输人参数对应，做到参数化模拟。

2基于可视化人机对话系统的有限元模型建立系统基于激光 数值模拟过程，共可进行如下环节的操作：成形区工件建立，基板建立及固定形式选择，材料屙陛设置以及建立自己的材料库，扫描方式与热源形式、冷却过程设置，以及后处理部分。系统内部及与 MSC．MARC的联系，如图 1所示。

‘ 来稿日期：20l2—12—14作者简介：王福雨，(1987一)，男(满族)，辽宁人，博士研究生，主要研究方向：数值模拟；刘伟军，(1969一)，男，辽宁人，研究员，博士研究生导师，主要研究方向：复杂曲面视觉测量、激光加工l46 王福雨等：激光快速成形数值模拟可视化人机对话系统设计 第 l0期图 l关系框 图Fig．1 The Diagram of Relationship2．1工件建立工艺参数的模拟主要是进行单道和多单道多层的模拟 ，该系统通过输入成形区的四个角点的 、y、z向坐标值确定成形区截面形状，丁件向 z方向(长方形向界面法向与 z向夹角为锐角的方向增长)生长，由输入成形层数和层厚却定成形区的高度。判断扫描宽度和成形区截面的长、宽确定是单道还是多道成形。加工的区域也可以是薄壁件，其设置方法与通用的j维软件的设置方式一致。除可以进行长方形区域的加T外还可已进行圆形T件的模拟，主要参数是中心点坐标，默认的高度方向为 Z轴正向。薄壁件的设置与长方体的设置一样。因为 MARC采用的是无单位计算，所以括号中的单位为推荐单位。 伸控制主要是没置层厚、扫描层数、扫描速度以及扫描宽度方向的单元数。而且成形区域可以逐渐旋转，以模拟复杂情况下盼决速成形加工。工件的具体参数输入界面，如图2所示。

图 2工件参数输入 界面Fig．2 The Interface for Inputting the Parameter of Part2_2基板建立与 件模型的参数输入类似，基板的形状可以根据模拟的需要选择长方体或厕柱，并设置基板的厚度。若选择厚度下方的层数，层厚会等量递增；若选择厚度，则基板的每层厚度一致，且厚度除以层厚必须是整数。在激光快速成形的模拟中，有时要添加基板预热温度，以减小应力，所以基板预热为可选项。主要设置预热温度，和预热时间。单位要 自己选择与材料属性的单位一致就可。基板的固定形式有固定和自由：同定是将基板最底端的所有点 z向固定，有利于计算的收敛；自由时底板的 z向可以移动，比较接近实际情况。基板的具体参数输入界面，如图3所示。

冈3基板参数输入界面Fig．3 The Interface for Inputting the Parameter of Pan2．3材料属性设置激光快速成形过程是温度变化极为剧烈的过程，所以材料一 般情况下要采用非线性材料，但是也留有线性材料的选项，可以用来验证模型，进行试算以及只进行温度对比的计算。材料主要的参数包括 ：密度，泊松比，杨氏模量，辐射率，热膨胀系数，热导率，比热容以及对流换热系数。每个参数都可以是非线性的，参数名后面的数值与新建的或者已经有的表格中的数值相乘可以在显示中看到总的数值，这与 MARC中的操作一样。基板与工件的材料可以相同或不同。另外本系统还提供用户定义自己的材料库或者调用MARC中已有的材料。材料属性的具体参数输入界面，如图4所示。

【酮4材料参数输入界面Fig．4 rrhe Interface for Inputting the Parameter of Metal2．4光源参数设定在激光快速成形的模拟中，最麻烦的就是移动热源的加载以及让热源按照规定的路径移动。在这里将热源分为高斯热源与双椭球热源，两种热源的参数，如 5所示。扫描路径的设置采用数字编号的方式，即用线连接(1～9)构成的九宫格，则曲线的连接顺序为扫描顺序，如果是规则扫描则四层必然将各种情况的路径方式都包含。扫描方式的确定，如图6所示。自定义可以通过增量法：输入起始层、最后层、增量 ，扫描顺序(123654987)的方式，或者罗列层：如 1，2，6，扫描顺序。具体如表 1所示。

图5激光参数输入界面Fig．5 The Interfaee for Inputting the Parameter of Laser一 ：一 7厂下 9一 一 ：第一层 I 23654789第二层 96325874第 四层 963258741图6扫描路径输入Fig．6 Inputting the Scanning Path量㈣蚕㈣NO．10Oct．20l 3 机械 设 计 与 制造 147表 1自定义扫描顺序Tab．1 Self-Defining Scan Sequence自定义输入 扫描方式增最法A l l9 2 l 23654789A2 202963258741罗列层B I．3．4．6，7．9，l3654789B 2．5．1 20 8 96325874l可以混合输入A I l01 l23654789B 1 1-20 96325874l742 32．5后处理环节后处理主要是为了得到温度、应力、应变的整体场分布云图，云图统一采用r_{背景，这里不再详细设置，因为可以生成辅助文件，将一些设置在 MENTAT中设置好后，将辅助的命令流文件打开，就可以生成需要的结果。后处理参数输入界而，如图7所示。

后处理界面中根据设置得到是给操作者一些求解时间方面信息，其中的第一层起始增量步在没有预热的情况是 1，有预热时根据具体情况会有不同是数字．这主要是为冈像采集提供参考，让操作者正确输入起始步，获得 确的温度、应力、应变冈像。结果设置包含了一些常用的结果量。一般选择等效应力和温度就可以了，有时为提高精度可以选择节点温度，若要观察温度梯度则勾选温度梯度，选择的越多结果文件越大，适最选择即可。

图7后处理参数输入界面Fig．7 The Interface fur Inputting the Parameter of Post—Processing其步骤可总结如下：(1)设置工件与基板几何参数 ，道宽参数；(2)设置工件与基板的热物性参数；(3)设置热源形式与扫描路径参数 ；(4)设置结果提取参数。

3实例计算以矩形截面工件为例进行x,J-l：l~仿真．材料选用 TC4的基板和粉末，进行激光快速成形的有限元仿真。仿真主要参数，如表 2所示。参数中只有激光功率不同分别为 l800 W和 2000 W，设置的参数与罔 2、『皋]3、图 4、罔5、图7中的参数一致 ，主要对比成形最后时刻的温度和冷却到室温的残余热应力。温度场和残余应力场的分布云图，如图 8所示。

表 2仿真主要参数Tab．2 The Main Simulation Parameter(a)1800W温度场 (b)2000W温度场(C)1800W残余应力场 (d)2000W残余应力场图8温度场和残余应力场分布云图Fig．8 The Distribution of Cloud of Thermal Fieldand Residual Stress Field取开始位置点在成形过程中的温度随时问变化的曲线对比，如图9(a)所示。从罔中可以确定成形温度在钛合金熔点以上，并且功率大则成彤过程中温度高。该点的热应力随时间变化的对比曲线．如图9(b)所示。从对比罔中可以发现温度较低的热应力较小，这与fj订人的模拟结果相符191。说明采用本系统建立的有限元分析模型结果可靠。

(a)温度随时间变化曲线I ‘(b)热应力随时间变化曲线图 9对比曲线图Fig．9 The Contrast Curves Picture4结论通过激光快速成形数值模拟可视化人机对话系统，可以快速完成前处理和结果查看。方便模拟和试验结果的提取。特别是将路径朋数字表示．丰富了路径组合形式，使模拟参数化．方便多组参数进行数值模拟，模拟结果正确。可以方便的寻找参数与温度、应力以及温度与应力的关系，为进一步的优化丁艺参数提供平台。 (下转第 15I页) ¨
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No．10Oct．2013 机械设计与制造 15l5结论介绍了超越离合器综合性能试验台的总体方案，可用于超越离合器质量检验、性能评估、优化设计研究等，对我国工程机械行业的发展具有重要意义。

参考文献[1]詹永红，容丽萍，黄福兴．装载机变速器常用离合器的分析与比较[J]_工程机械，2o02(1)：10—11.

(Zhan Yong-hong，Rong Li-ping，Huang Fu-xing．Loader transmissionclutch commonly used analysis and comparison[J]．Journal of MechanicalEngineering，2002(1)：1o_11．)[2]石光林 ，朱林．超越离合器保持架定位装置设计EJ]．机械设计与制造，2012(12)：137—139.

(Shi Guang—lin，Zhu Lin．Overrunning clutch cage positioning devicedesign[J]．Machinery Design and Manufacture，2012(12)：137—139．)[3]石光林，陆维钊．滚柱式超越离合器隔离环的结构与工艺改进EJ]．机械设计与制造，2008(7)：136—138.

(Shi Guang-lin。Liu Wei—zhao．Miler overrunning clutch isolation ringstructureandprocessimprovement[J]．MachineryDesignandManufacture，2008(7)：136—138．)[4]朱林，石光林．超越离合器组合式隔离环结构分析[J]．装备制造技术，2012(6)：48—50.

(Zhu Lin，Shi Guang-lin．Ring overunning clutch combined isolationstructure analysis[J J．Journal of Equipment Manufacturing Technology.

2012(6)：48—50．)[5]S．Zupan and I．Prebil．Carying angle and carying capacity of a largesingle row ball bearing as a function of geometry parameters of the rollingcontact and the supporting structure stifness[J]．Mechanism and MachineTheory，2001，36(10)：1087—1103.

[6]姚春江，陈小虎，毋文峰．多功能液压试验台设计[J]_液压与气动，2009，1(3)231—252.

(Yao Chun-jiang，Chen Xiao—hu，Wu Wen-feng．Multi-functionhydraulic test bench design[J]．Hydraulic and Pneumatic，2009，1(3)：231—252．)[7]朱林，石光林 ，石学堂．超越离合器综合性能试验台液压系统设计[J]_液压与气动，2013(8)：96—98.

(ZhuLin，ShiGuanlg-1in，ShiXue-tang,Overrunningclutch comprehensiveperformance test rig hydraulic system design[J]．The Hydraulic and Pneu—matic，2013(8)：96—98．)[8]阮理想，李翔龙，余阿东．轴承试验机测控系统的开发[J]．机床与液压，2008，36(12)：124—126.

(Ruan Li—xiang，Li Xiang—long，Yu A—dang．Beating testing machinemeasurement and control system development[J]．Journal ofMachine ToolsandHydraulic，2008，4(12)：124—126．)【9 J J．I．Amasorain，X．Sagartzazu and J．Damidn，L0ad distributionin a fourcontact-point slewing bearing[J]．Mechanismand Machine Theory，2003，38(6)：479-496.

(上接第 147页)参考文献[1]何广忠，高洪明，吴林．机器人弧焊离线编程与仿真系统的设计[J]．焊接，2006(2)：24—28.

(He Guang-zhong，Gao Hong—ming，Wu Lin．Robotic arc welding of-line programming and simulation system design[J]．Welding，2006(2)：24—2 8．)[2]魏艳红 ，高增福 ，杨松．焊接工艺规程数据库系统[J]．焊接，1998(3)：12一l5.

(WeiYan-hong，GaoZen _u，YangSong~Weldingprocedure specifcationdatabase system[J]．Welding，1998(3)：12—15．)[3]肖德刚，魏艳红，刘爱国．新一代焊接工艺设计专家系统[J]．焊接，2001(9)：l1一l5.

(Xiao De—gang，Wei Yan—hang，Iju Ai—gu0．A new generation ofweldingproceduredesignexpe~system[Jj．Welding，2001(9)：11-15．)[4]DoanTatkhoa，李涤尘，卢秉恒．扫描方式对激光金属直接成形 DZ125L高温合金薄壁件开裂的影响[J]．中国激光，2012，39(10)：1—8.

(Doan Tatkhoa，Li Di—chen，Lu Bing-heng．The influence of scanningway to laser direct metal form ing DZ125L high temperature alloy thin-waled cracking[J]．LaserinChina，2012，39(10)：1-8．)[5]柴保明，张浩，解文正．基于 ABAQUS的激光熔覆温度场的数值仿真分析[J]_煤矿机械，201 1(1)：69—72.

(Chai Bao-ming，Zhang Hao，Xie Wen-zheng．The laser claddingtemperature field numerical simulation analysis based on ABAQUS[J].

Journal ofCoalMineMachinery，2011；(1)：69-69．)[6]严仁军，雷加静，李鹏．特厚板多层多道焊的 Mare有限元模拟木[J].

机械工程学报，2011，47(18)：37-42.

(Yan Ren-jun，Lei Jia-jing，Li Peng．Marc finite element simulation ofmuhilayer multi—channel welding thick plate wood [J]Journal ofMechanicalEngineering，2011，47(18)：37-42．)[7]贾文鹏，林鑫，陈静．空心叶片激光快速成形过程的温度，应力场数值模拟EJ]．中国激光，2007，34(9)：1308—13121.

(Jia Wen-pang。IJin Xin，Chen Jing．Holow blade temperature／stress fieldnumerical simulation oflaser rapidformingprocess[J]．LaserinChina，2007，34(9)：1308—1308．)[8]席明哲，张永忠，石力开．激光快速成形金属薄壁零件的三维瞬态温度场数值模拟[Jj．中国有色金属学报，2003，13(4)：887—892.

(Xi Ming—zhe，Zhang Yong-zhong，Shi Li—kai．3D transient temperaturefieldnumerical simulation oflaser rapidformingmetalthin-walpart【J J.

ChineseJournal ofNonferrousMetals，2003，13(4)：887—892．)[9]孔源．激光快速成形方法制备金属零件关键技术研究[D]．中国科学院沈阳自动化研究所，2005.

(Kong Yuan．Laser rapid form ing method for preparation metal parts keytechnologyresearch[D]．ShenyangInstituteofAutomationofChineseAc-ademy ofSciences，2005．)