增材制造微结构演化及疲劳分散性计算

为了预测增材制造中工艺参数?微结构?力学性能之间的关联规律, 提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法, 揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响. 首先, 采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设; 其次, 通过热?熔体?微结构耦合的非等温相场模拟, 获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构; 然后, 应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应, 并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP); 最后, 采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性. 以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明: 增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低, 且呈各向异性; FIP极值符合Gumbel极值分布规律, 激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性, 但会导致FIP极值升高, 使得疲劳裂纹萌生驱动力增加, 疲劳寿命降低.      

基于晶粒形貌的增材制造力学行为数值模拟

为了研究电弧增材制造中材料的各向异性力学行为,本文建立了双椭球热源模拟电弧增材制造过程中的温度场,建立Monte Carlo模型模拟增材层截面微观组织的变化,建立晶体塑性模型表征晶粒形貌对材料力学行为的影响规律,从而修正位错动力学模型,得到基于晶粒形貌特征的电弧增材制造中各向异性的力学行为数值模拟方法。修正后的位错动力学模型可以很好地反映出电弧增材制造工艺特征导致的材料各向异性行为,且与试验结果一致。电弧增材制造构件在增材高度方向上的力学性能显著低于热源移动方向的力学性能,在增材高度方向上和热源移动方向上晶粒尺寸比达到7.5 mm/1.3 mm时,屈服强度比达到787.8 MPa/865.2 MPa。钛合金在600℃以上出现明显的材料软化,这主要是晶粒球化导致的。     

增材铜合金拉伸力学行为的卷积神经网络预测

深度学习因其在处理复杂数据和解决复杂问题方面的显著优势而备受关注,已应用于材料性能预测领域。本文提出了一种结合卷积神经网络模型与晶体塑性有限元方法的预测框架,在晶体塑性模型中考虑了增材铜合金(CuCrZr)固溶强化、位错强化以及晶界强化的贡献,实现了基于增材铜合金的晶体学织构极图、微结构图和晶粒尺寸预测单轴拉伸力学行为的目标。首先,基于实验结果对晶体塑性模型参数进行校正,验证了模型的准确性及预测能力。随后,使用参数校正后的晶体塑性模型对增材铜合金不同的代表体积元进行了一系列的有限元模拟,并利用这些模拟结果对卷积神经网络模型进行了训练、验证与测试。研究结果表明,该卷积神经网络模型在保证预测精度的同时,显著减少了计算时间,展示了其在增材铜合金力学性能预测方面的应用前景。     

基于数据驱动的增材制造铝合金的疲劳寿命预测

增材制造金属材料的疲劳损伤及寿命预测问题是当前研究的热点.论文以增材制造AlSi10Mg为典型应用对象,采用数据驱动方法开展疲劳寿命预测,考虑到其疲劳试验数据有限,采用经过试验验证的可靠的理论模型和数值计算方法来获取足够的疲劳数据,以弥补试验数据的不足.首先,提出了基于缺陷特征参数的疲劳损伤模型,其次,建立了理论模型的数值实现方法,并将数值计算结果与试验结果进行对比,验证了所提方法的可靠性.然后,开展数据驱动模型的训练与预测,采用K最近邻的数据驱动算法预测了增材制造AlSi10Mg的疲劳寿命,最后,深入分析了疲劳寿命随增材制造内部缺陷、疲劳载荷的变化规律,研究了数据驱动模型的训练数据量及模型参数对预测精度的影响.     

增材制造TC4钛合金的动态力学行为研究

增材制造TC4钛合金是具有优良的力学性能和工艺性能的金属材料,在航空航天领域已得到重要应用.近年来,在塑性力学的研究中,探究应力状态对金属材料变形和失效行为的影响得到广泛关注,然而大部分的研究都是在准静态下完成的,对于中高应变率下金属材料变形失效的研究较少.本文从增材制造TC4钛合金的基本力学性能出发,考虑应力状态和应...     

数据与连续损伤力学双驱动的增材疲劳寿命预测模型

传统的力学模型与新兴的数据驱动模型目前广泛用于增材制造的疲劳寿命预测中.其中,以连续损伤力学(Continuum Damage Mechanics, CDM)为代表的传统模型寿命预测模型存在着精度低、适用范围有限等问题,而以神经网络(Artificial Neural Network, ANN)为代表的数据驱动模型则始终受限于小样本工况.为解决上述问题,融合物理知识和数据信息的知识-数据双驱动模型近年来发展迅速.以此类双驱动模型为研究目标,本文以激光粉末床熔融成型(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)AlSi10Mg合金为研究对象,构建了可自动标定的CDM模型,并将其与基于ANN的数据驱动模型在各种工况下进行了结合,再进一步通过特征融合、参数融合和输出融合方法的手段,构建了三类以CDM模型与ANN模型为基础的知识-数据双驱动模型,并量化分析了它们在预测精度和数据需求等方面的性能.研究结果表明：基于参数融合的模型,训练数据修正作用较为显著,在预测精度方面受CDM模型影响最小,并在CDM模型拟合结果较差时也能确保一定精度;基于特征融合的双驱动模型能最大化利用CDM模型中的物理信息,在数据充足时具有最高的预测精度与稳定性;基于输出融合的模型以CDM模型的结果为主导,利用ANN进行修正,具有五种模型中最好的非训练域(外推)预测性能.这些结果对于进一步发展知识-数据双驱动的高精度增材制造疲劳寿命预测模型具有重要的参考价值.     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

基于增材制造技术的力学专业人才实验能力提升探索

增材制造技术经过10余年的快速发展,已经在工业制造、结构设计、产品研发和高等教育等领域逐渐发挥重要作用,为高校培养创新型和研究型实验人才提供了有力的支撑,而如何将前沿技术应用于人才培养也始终是高校的关注点。本文总结了国内有关高校利用增材制造技术对本科生实验能力提升的探索,结合长安大学力学专业人才创新实验能力培养模式,分析了增材制造技术在创新实验教学中发挥的积极作用,为探索将现代加工制造技术应用于高校工科专业人才创新实践教学提供了思路。     

金属增材制造晶体塑性有限胞元自洽聚类分析方法

金属增材制造是一种先进的数字化制造技术, 在高性能及复杂构件快速制备方面具有独特的优势. 然而, 其成形材料微观组织复杂且存在不可避免的制造缺陷, 导致实际制造材料性能与设计性能存在偏差, 亟需发展考虑真实材料微观组织和缺陷的力学性能高效预测方法. 针对该问题, 发展了晶体塑性有限胞元-自洽聚类分析方法, 包括离线数据准备和在线快速计算两个阶段. 其中, 在离线阶段, 采用晶体塑性有限胞元法和聚类算法建立实际微观组织代表体元离散数据; 在线阶段, 采用基于加权余量-子域法的自洽聚类分析和考虑Hall-Petch效应的晶体塑性模型求解了代表体元问题的Lippmann-Schwinger方程, 进而通过应力应变均匀化获得材料的宏观等效力学性能. 通过理想及含不规则孔隙的多晶算例验证了所提出方法的计算精度及高效性; 进一步, 采用该方法研究了激光选区熔融增材制造IN625合金力学性能, 并揭示了工艺参数对其力学性能的影响. 结果表明, 文章工作为金属增材制造成形材料力学性能预测提供了一种高效的计算方法.

     

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.