金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

物质点法的理论和应用

物质点法采用质点离散材料区域, 用背景网格计算空间导数和求解动量方程,避免了网格畸变和对流项处理, 兼具拉格朗日和欧拉算法的优势, 非常适合模拟涉及材料特大变形和断裂破碎的问题. 本文详细论述了物质点法在基本理论、算法和软件开发方面的进展, 包括广义插值物质点法、接触算法、自适应算法、并行算法、与其他算法的杂交和耦合等. 系统地总结了物质点法在超高速碰撞、冲击侵彻、爆炸、动态断裂、流固耦合、多尺度分析、颗粒材料流动和岩土失效等一系列涉及材料特大变形问题中的应用,展示了其相对于传统数值计算方法的优势.     

金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序

增材制造(亦称“3D打印”)是以数字模型为基础, 将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术, 涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合, 已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术, 也是《中国制造2025》规划的重要发展方向. 金属增材制造是3D打印技术的一个主要分支, 一般常采用高能束(激光、电子束等)作为输入热源, 通过熔化离散金属材料(粉材、丝材)进行逐层叠加打印制件, 从而弥补传统减材和等材制造的不足, 已在航空航天、汽车电子及生物医学等众多领域取得了典型应用. 然而, 从结构设计、制造过程到性能评价, 金属增材制造涉及众多的关键力学问题亟待解决. 例如, 由于金属粉材或丝材的离散效应, 如果工艺参数选择不当, 金属3D打印产品易出现内部缺陷和表面缺陷, 从而影响打印构件的宏观力学性能及服役可靠性.      

激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟

激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术, 以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景. 然而, 该技术在金属零件的尺寸精度和形状精度控制方面存在诸如尺寸偏差大、表面不平整等控形问题, 亟需发展高效高精度预测熔覆层成形尺寸形貌的数值模拟方法. 针对该问题, 本文建立了考虑激光-粉末-熔池交互过程的高保真多物理场数值模型. 其中, 采用高斯面热源等效激光光束, 利用拉格朗日质点法求解粉末输送及其与激光交互的过程, 进一步结合有限体积法和流体体积法求解粉末-熔池的交互及其流动凝固过程, 并通过TC17合金单道熔覆层实验结果进行了验证. 基于该模型, 首先预测了不同工艺参数下单道熔覆层形貌尺寸, 并对熔覆层形貌的变化趋势及其内在的物理机理进行了深入分析. 结果表明, 依赖于工艺参数的粉末温度分布和粉末基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层尺寸有显著的影响. 本文所建立的数值模型可辅助激光定向能量沉积增材制造技术控形工艺参数优化, 所得结论可为成形件尺寸和形状精度控制提供理论指导.      

第十八届美国理论与应用力学大会总结

正1会议概况2018年6月5—9日,第18届美国理论与应用力学大会(18th U.S. National Congress of Theoretical and Applied Mechanics, USNCTAM2018)在美国芝加哥召开.本次大会由美国力学国家委员会和中国力学学会联合主办,旨在探讨和交流近四年世界范围内在理论和应用力学领域的基础研究、创新技术的最新进展,吸引了来自世界各地的近千名专家学者