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选择性激光熔化过程中热场与应力场的预测模型——第一部分

DOI：10.1016/j.promfg.2020.01.414 期刊：Procedia Manufacturing 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 在激光粉末床熔融成形过程中，由于高冷却速率和温度梯度引发的热应力，热变形是一个突出问题。因此，了解工艺参数对熔池区热场与应力演变的影响至关重要。本文基于顺序耦合热力场分析，建立了选择性激光熔化（SLM）工艺的三维有限元模型，用于精确预测热历程及表面特征（如变形与残余应力）。该模型纳入了304L不锈钢的材料性能随温度变化的数据，完整呈现了从粉末态到全致密固态的转变过程。通过设计旨在降低缺陷形成概率的不同参数组合，全面展示了表面温度梯度和热应力的演化规律。仿真结果表明：连续扫描轨迹中交替出现的热循环熔化会导致压应力和拉应力的周期性变化。第二部分将提出大尺寸构件激光选区熔化过程的热力场预测模型。当构件冷却至室温后，纵向残余应力值较高。本研究通过工艺参数分析，将为实现最小残余应力与变形提供指导方案。
作者： Lan Li，Lei Yan，Wenyuan Cui，Yitao Chen，Tan Pan，Xinchang Zhang，Aaron Flood，Frank Liou
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研究概述 实验方案

研究目的

理解工艺参数对选区激光熔化（SLM）过程中熔池区热场与应力演变的影响，并建立三维有限元模型以准确预测热历程及变形、残余应力等表面特征。

研究成果

研究表明，由于后续激光轨迹的热量累积，每个测试点都会经历多个峰值温度，而连续扫描轨迹中的热循环熔化会导致交替的热应力。纵向应力大于法向应力和横向应力，且法向变形值高于其他两个方向的变形值。未来研究提出了一种针对大尺寸零件选择性激光熔化过程中热场与应力场的预测模型。

研究不足

模拟部件的小尺寸可能因局部屈服和局部热梯度而产生额外应力。大部件的残余应力分析很有必要，而对于选择性激光熔化（SLM）中需要数百或数千层的实际部件，计算时间会急剧增加。

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