增材生产的多尺度多物理场数值仿真新加坡国立大学闫文韬团队增材生产（AdditiveManufacture，AM）作为一种新兴的工业生产技术，早已引发了更加多行业的注目。例如航空航天、军工和医疗等领域关键简单零部件的加工生产。
然而，要构建这些高精度、简单零件的工业化生产，必需提升增材生产的成形质量和可重复性，解决零件孔洞，表面光洁度，不理想的微观的组织结构和零件瓦解形变等生产缺失。以上缺失的掌控不仅牵涉到宏观的力学性能研究，同时必须对微尺度的形貌加以分析，因此很大地减少了实验观测可玩性和实验成本。
为解决实验研究的难题，新加坡国立大学闫文韬及其合作者建构了多尺度多物理场模型，对增材生产全过程展开建模仿真，加剧了对其物理机理的解读，为工艺参数的自由选择和优化获取了适当的理论指导。1．基于蒙特卡洛方法仿真获得电子束热源模型：电子束的能量传递是电子束的电子与材料的原子再次发生撞击，将电子的动能转化成为原子振动能量的过程。传统的电子束热源模型大多基于熔池形貌的观测而取得，模型误差较小，且物理意义不明晰。
2015年，闫文韬（第一作者）与WingKamLiu（通讯作者）在ComputationalMechanics公开发表的论文明确提出了一种区别于传统热源模型的新热源模型，即通过蒙特卡罗（MonteCarlo）方法取得电子原子撞击的能量产于，如图1右图。图1．电子束与金属相互作用机理及新的热源模型该热源模型取得了加拿大麦吉尔大学P．R．Carriere研究团队的实验检验。另外，使用该热源模型，可以更加了解地说明电子束或离子束表面冲击增强过程中的“火山坑”现2．电子束选区熔融的多尺度模型在电子束热源模型的基础上，2016年，闫文韬（第一作者）与林峰，WingKamLiu（通讯作者）在ActaMaterialia公开发表论文明确提出了电子束选区熔融的多尺度模型（图2）。
微观尺度上，使用蒙特卡罗方法分析了电子原子互相撞击起到下的能量产于特征；介观尺度上，分析了金属粉末加热、熔融、流动、凝结过程的物理机制；最后在宏观尺度上，利用有限元方法构建整体零件增材生产过程的热力学建模。图2．多尺度电子束选区熔融仿真流程3．增材生产全过程仿真电子束选区熔融牵涉到金属粉末熔融，流动，凝结等简单的物理过程。
其物理尺度小，缺失机理无法得出精确的物理说明，仍然是增材生产研究的难题。2017年，闫文韬（第一作者）与林峰（通讯作者）在Engineering上的研究构建了电子束选区熔融三大主要工艺过程的建模仿真：1．粉末铺设；2．粉末加压与轻度工件；3．粉床的选区熔融（图3）。
通过与实验对比，该数值模型能对粉末铺设过程、粉末工件中的颗粒颈限以及和熔融道中的孔隙缺失等现象展开定量叙述。全过程的数值仿真能有效地还原成现实的生产过程，有助熔融道的质量分析，进而指导生产过程的参数优化和工艺设计。图3．电子束选区熔融过程实验和建模模型。
仿真流程主要还包括：利用线性单元模型（DiscreteElementMethod，DEM）解法铺粉后的粉床几何形貌；将粉床形貌作为热力学和流体力学分析的几何输出，使用相场法（PhaseField，PF）、受限体积方法（FiniteVolumeMethod，FVM）分别展开介观尺度下金属粉末工件过程和熔融过程的仿真。其中，权利表面的形貌使用体积分数法（VOF）处置。部分仿真结果如图4右图。
图4．单熔融道实验与仿真结果。（a），（c）球化现象；（b），（d）非均匀分布熔融道在2017年，闫文韬（第一作者）与林峰，GregoryJ．Wagner（通讯作者）在ActaMaterialia和Materials＆design公开发表的研究对电子束选区熔融的热力学过程展开了仿真。针对砖粉式电子束选区熔融过程，分别对单／多熔融道，单层和多层有所不同扫瞄方案进行热力学仿真，充份辩论了热源参数、扫瞄方案、铺粉状态等控制参数对球化、表面形貌、孔洞缺失、马拉高尼（Marangoni）现象以及材料结构的影响规律（图5），融合有所不同参数的模拟计算，辩论了熔融道质量的提高方案。图5．多层、多道电子束选区熔融过程中孔洞的构成近期，闫文韬与美国阿贡国家实验室和密苏里大学合作，在NatureCommunications公开发表学术论文，利用高速X射线光学技术必要仔细观察了激光选区熔融过程中气泡的运动，其中闫文韬研发的熔融模型很好的再现了激光选区熔融过程中的keyhole现象。
图6．Keyhole现象的高物理保真建模仿真与阿贡国家实验室高速X光下的必要实验结果4．基于数据驱动的成形－结构－性能一体化仿真为解决问题实验参数自由选择与优化简单、实验过程繁复、生产零件性能无法掌控等问题，2018年，闫文韬（第一作者）与WingKimLiu（通讯作者）在ComputationalMechanics和FrontiersofMechanicalEngineering明确提出了基于数据驱动的多尺度、多物理场过程结构一体化仿真的增材生产框架。将生产过程中的数据与仿真的数据包含数据库，通过数据库之间的协同工作，以数据挖掘的方式，将模拟计算结果对系统给生产数据，对生产参数展开动态调控，构建增材生产在线监测的闭环控制。同年，闫文韬（第一作者）与GregoryJ．Wagner（通讯作者）在ComputerMethodsinAppliedMechanics＆Engineering公开发表的论文，对一体化模拟系统作出了详尽的辩论（图7）。
其数值仿真部分主要由三个模块互相耦合包含：1．铺粉建模＋热／流体力学数值模型计算出来，得出结论AM过程中熔池的温度场演进、多层多道熔融道演进、孔洞结构的构成等过程；2．萃取1中计算出来的温度场产于、熔融道形貌、孔洞产于等状态数据，作为枝晶生长的元胞自动机模型的输出参数，预报构件的晶粒结构；3．将2中的结果作为材料的物性参数，预报构件的力学性能，疲惫寿命等宏观特征。图7．成形－结构－性能一体化仿真框架的概念分布图成形－结构－性能一体化数值仿真不仅能用作材料晶粒、体积缺失产于等信息的预测，还能用作粉末颗粒熔融和熔池流动的过程预测，从而增进对增材生产机理的解读。此外，融合过程监控系统的闭环控制，能保证生产过程和生产质量的稳定性。
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