熔丝增材制造多相流-多场耦合一体化建模仿真方法
结题报告
批准号:
51905038
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
27.0 万元
负责人:
夏焕雄
依托单位:
学科分类:
E0510.制造系统与智能化
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
熔丝增材制造工艺成形过程量化分析、成形形貌预测以及成形稳定性,是高精度形貌控制与成形工艺优化的关键难题。申请人以成形过程高保真仿真为切入点,紧密围绕影响成形形貌与成形稳定性的多场耦合作用及材料行为,拟提出一种多相流框架下的多场耦合一体化建模仿真方法,构建描述成形过程中的物质传热、流动、凝固以及界面作用等一体化模型,并提出面向高保真仿真的自适应空间分辨率与高精度界面构造方法、一体化模型系统高效高稳定求解算法。同时结合典型金属/非金属熔丝增材制造工艺对模型的准确性进行验证,实现成形过程的高保真仿真以及成形形貌的高精度预测,并探究成形过程中的材料流动、凝固成形机制以及热量流动规律,揭示影响成形稳定性的热输入、物质输入、流体应力、固体应力、重力、散热速率以及凝固速率等关键因素的定量平衡关系,为熔丝增材制造工艺机理量化分析、成形形貌精准控制以及扩展极限成形能力提供理论与建模仿真方法支撑。
英文摘要
The quantitative analysis of a forming process, the prediction of a forming shape and the forming stability are critical issues for the high-precision shape control and process optimization in the fused filament additive manufacturing processes. The applicant will cut into those issues via a high-fidelity simulation and focus on multi-physics effects and material behaviors affecting the forming shape and its stability, proposing a multi-physics unified modeling method based on a multiphase-flow framework, developing a comprehensive model including heat and mass transfer, fluid flow, solidification and interfaces interaction etc., for which an adaptive-resolution gridding and a high-precision interface constructing method and a high-performance computing method will be also developed. The comprehensive model is validated via typical metal- and polymer-based additive manufacturing processes. A high-fidelity simulation and a high-precision prediction for the forming shape of the fused filament additive manufacturing processes will be achieved. The behaviors of the fluid flow, the solidification of the material and the mechanism of the heat transfer will be explored, and a quantitative relationship which determining the forming stability, among the heat and mass input, fluid and solid stress, gravity force, cooling rate, and solidifying rate will be found. This work will contribute a modeling and simulation method to analyzing the process quantitatively, controlling the forming shape precisely and extending the limitation of the forming capacity of the fused filament processes.
熔丝增材制造形性调控面临成形过程量化分析、成形形貌精准预测等关键难题。本项目以成形过程高保真仿真为切入点,开展了熔丝增材制造介观尺度多相流-多场耦合一体化建模框架、自适应空间分辨率及自由界面高精度构建的网格方法、瞬态多相流-多场耦合一体化模型的高稳定高效求解算法、典型熔丝增材制造工艺高保真模拟及弱支撑结构形貌预测、以及多相流-多场耦合一体化模型的扩展应用等研究。建立了包含传热、流动、界面作用、凝固成形等过程的多相流-多场耦合一体化模型,突破了多相流与多物理场耦合建模的难题,实现了熔丝增材制造和激光粉末增材制造成形过程的高保真仿真;提出了与Front-tracking方法相结合的多层级正则自适应加密网格方法、以及扩散项分裂的半隐式方程系统并行求解算法,突破了多相流-多场耦合一体化模型面临的巨大数值计算困难,实现了瞬态多相流-多场耦合一体化模型的高精度高稳定高效求解;揭示了成形过程中材料传热凝固规律、界面作用及形貌形成规律、粘弹性行为影响规律、以及重力作用下弱支撑结构成形稳定性的影响规律。研究成果形成了熔丝增材制造多相流-多场耦合一体化建模仿真的底层核心三维并行代码及其软件工具,为熔丝增材制造工艺机理量化分析、成形形貌精准控制提供了理论与建模仿真方法支撑。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
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专利列表
DOI:https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2021.107063
发表时间:2021
期刊:Polymer testing
影响因子:--
作者:Lei Guo;Jianhua Liu;Huanxiong Xia;Xiumin Zhang;Hongfan Yang
通讯作者:Hongfan Yang
DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2020.182
发表时间:2021
期刊:北京理工大学学报
影响因子:--
作者:刘检华;任策;夏焕雄;敖晓辉;林圣享
通讯作者:林圣享
DOI:10.3390/ma15082850
发表时间:2022-04-13
期刊:Materials (Basel, Switzerland)
影响因子:--
作者:
通讯作者:
Effects of assembly errors and bonding defects on the centroid drift of a precision sleeve structure
装配误差和键合缺陷对精密套筒结构质心漂移的影响
DOI:10.1007/s40436-021-00346-1
发表时间:2021-02-27
期刊:ADVANCES IN MANUFACTURING
影响因子:5.2
作者:Liu, Jian-Hua;Li, Xia-Yu;Guo, Lei
通讯作者:Guo, Lei
A numerical study of particle-laden flow around an obstacle: flow evolution and Stokes number effects
障碍物周围充满颗粒的流动的数值研究:流动演化和斯托克斯数效应
DOI:10.1016/j.apm.2021.10.022
发表时间:2021-10
期刊:Applied Mathematical Modelling
影响因子:5
作者:Shengxiang Lin;Jianhua Liu;Huanxiong Xia;Zhenyu Zhang;Xiaohui Ao
通讯作者:Xiaohui Ao
精密胶接装配应力形成与演变机理及其建模预测方法
  • 批准号:
    52375480
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    夏焕雄
  • 依托单位:
国内基金
海外基金