带相变热流固耦合问题的数值方法及金属增材制造仿真

本文提出了一种带相变的热流固强耦合问题的数值求解方法,即热耦合最优输运无网格(HOTM)方法.该方法结合了最优输运无网格方法(OTM)和热流固变分本构模型,能够解决多介质耦合问题中常见的极大变形、大温度梯度、高加热/冷却速率、包括熔化、气化和固化在内的多相变和多相混合等问题.该方法用节点和物质点进行空间离散,同时求解动量和能量守恒方程来获得材料的变形、温度和局部状态.HOTM方法已被用于金属粉末床激光选区熔融工艺(SLM)和超高速激光熔覆技术(EHLA)的直接数值模拟,本文在数值模拟中量化了SLM中粉末颗粒尺寸分布对成型材料孔隙度的影响,并计算了EHLA中金属涂层的近似孔隙率,模拟与实验结果高度吻合.该方法有助于对金属增材制造工艺中控制成品质量加深理解.