A Framework for Simulating the Path-level Residual Stress in the Laser Powder Bed Fusion Process

激光粉床熔融成形（LPBF）的增材制造技术因其能够创建复杂和定制的零件而彻底改变了工业。LPBF过程使用移动的热源来熔化和固化金属粉末。快速的熔化和冷却会导致残余应力，这对零件质量产生重要影响。目前，精确模拟路径尺度上的残余应力的计算强度仍然是一个重大挑战，限制了我们对LPBF过程的理解。本文提出了一种基于路径级热历史模拟LPBF过程残余应力的框架。与现有方法相比，路径级模拟仅需要离散化以捕捉扫描路径，而不需要熔池细节，因此需要更少的网格且计算效率更高。我们通过引入一种称为有效热应变的新概念来开发这个框架，以捕捉熔池附近和周围的各向异性热应变。我们使用文献中高保真度的结果来验证我们的方法。我们使用所提出的方法来模拟各种单岛扫描模式和具有多个完整和修剪岛屿的层。我们通过分析它们的模拟结果来进一步研究路径级热历史和层形状对残余应力的影响。

解决问题：本论文旨在通过基于路径级热历史的模拟框架来模拟LPBF过程残余应力，以解决当前LPBF过程中残余应力对零件质量的影响问题。

关键思路：本论文提出了一种新概念——有效热应变，以捕捉熔池附近和周围的各向异性热应变，从而通过路径级模拟来模拟LPBF过程残余应力，相比现有方法，路径级模拟仅需要离散化扫描路径而不需要熔池细节，因此需要更少的网格且计算效率更高。

其他亮点：论文通过验证模拟结果与高保真度结果的一致性，进一步研究了单岛扫描模式和多个全岛和修剪岛层的影响，分析了路径级热历史和层形状对残余应力的影响。此外，论文还提供了数据集和开源代码。

相关研究：近期在该领域的相关研究包括：1. “A physics-based approach to predict residual stresses in additive manufacturing”；2. “Simulation of residual stresses and deformations in laser powder bed fusion additive manufacturing of Ti6Al4V alloy”；3. “Numerical simulation of residual stresses in selective laser melting of Ti–6Al–4V”等。