北理工廉艳平教授丨金属增材制造多尺度、多物理场前沿模拟计算方法

     

金属增材制造技术是一种基于数字模型的设计制造一体化 “近净”成形技术，在航空航天、生物医学及国防工程等领域拥有广阔的应用空间和发展前景。由于涉及复杂的传热传质、相变凝固、热力耦合等强非线性多物理场冶金过程，以及高维材料物性和工艺参数空间，金属增材制造的控形保性工艺面临着诸多挑战，制约了其进一步发展和工程应用。发展高效可靠的数值模拟分析算法，开展制造过程模拟、缺陷分析、性能预测和工艺优化，是解决上述挑战的关键手段，具有重要的科学意义和工程价值。本报告将围绕金属增材制造传热传质过程、材料微观组织演化过程、力学性能预测和成形构件性能评价等关键问题，介绍其多尺度多物理场数值模拟分析算法研究进展，包括高保真移动多级网格算法、扩展元胞自动机算法、图像有限胞元法以及数据驱动的计算分析方法等，并就未来研究方向进行展望。

报告介绍了金属增材制造的研究背景，金属增材制造技术是一种基于数字模型的设计制造一体化 “近净”成形技术，具有材料性能可调控、复杂结构快速成形、可定制化、低成本等优点，在航空、航天、交通和核电等领域有巨大的应用空间和广阔的发展前景，近年来受到工业界和学术界的广泛关注和高度重视。现阶段，金属增材制造技术虽得到了快速发展并取得了成功的典型工程应用，但其深入发展仍面临着诸多难题和挑战，涉及力学、光学、材料、机械、控制等多个学科。

由于多工艺参数综合作用下的冶金缺陷形成机理、微观组织演化规律、翘曲变形与分层开裂预测、表面质量和成形尺寸精度控制等基础理论问题尚未完全突破，金属增材制造在构件成形精度、力学性能以及成形效率等方面面临的问题，限制了其在工程中的广泛深入应用。因此，发展高效可靠的数值模拟方法，开展制造过程模拟、缺陷分析、性能预测和工艺优化，具有重要的科学意义和工程价值。

廉教授围绕上述关键问题，介绍了金属增材制造多尺度多物理场数值模拟算法方面的最新研究进展。

针对传热传质过程，廉教授介绍了目前的三类模型：粉末尺度的热流耦合模型，基于等效连续体假设的热流耦合模型以及基于等效连续体假设的纯热传导模型。

其中，廉教授重点介绍了其课题组在第一类模型中的最新工作，高保真移动多级网格算法。该算法采用移动精细网格（亚颗粒尺度）求解熔池热流场，粗网格（大于颗粒尺度）求解温度远场，并通过数据映射实现两者的关联，采用离散元自适应转化方法实现其在两套网格中的求解。因此，该算法兼顾了计算精度和效率，为基于粉末颗粒的金属增材制造过程高保真数值模拟提供了一种新的高效高精度算法。

针对金属增材制造中成形材料微观组织演化过程，廉教授介绍了目前常用的三类算法：相场法、元胞自动机法和Monte Carlo算法。其中，廉教授着重介绍了其课题组基于元胞自动机法的工作，并提出了扩展元胞自动机法。该算法实现了凝固初生相和晶粒粗化过程的数值模拟，为金属增材制造控性工艺优化提供了一种有效的数值模拟方法。

进一步，针对金属增材制造成形过程和微观组织高保真计算规模大的问题，廉教授介绍了其课题组发展的“成形过程-微观组织”数据驱动的高效计算方法，实现了成形温度场、微观组织特征的高效预测。

针对成形材料力学性能评估，廉教授介绍了基于数据压缩的晶体塑性自洽聚类分析算法，揭示了工艺参数对成形材料基本力学性能的影响。进一步，介绍了其课题组发展的残余应力多尺度分析算法，实现了晶粒尺度的残余应力分析，为金属增材成形件疲劳性能高精度分析提供了一种关键技术。

针对成形构件性能评价需求，廉教授介绍了多级hp图像有限胞元法，通过数值模拟揭示了真实制造几何形貌和内部缺陷对成形构件性能的影响。该算法可实现计算机断层扫描（CT）数据与数值离散模型的一体化建模分析，且计算效率高于传统的体素有限元法。