廉艷平 王潘 丁 高 杰 劉繼凱 李取浩 劉長(zhǎng)猛 賀小帆 高 亮 李 好 雷紅帥 李會(huì)民 肖登寶 郭 旭 方岱寧

1 北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院,北京 100081

2 華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院,武漢 430074

3 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,濟(jì)南 250100

4 北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院,北京 100081

5 北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191

6 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430074

7 大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部,遼寧 116023

1 引言

增材制造(additive manufacturing,AM)是近30 多年發(fā)展起來(lái)的一種具有變革性的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù).與傳統(tǒng)減材制造(切削、磨削等)和等材制造(鑄造、鍛壓等)加工材料方式的本質(zhì)不同,增材制造依據(jù)三維CAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),通過(guò)光源或高能熱源等將離散材料(粉材、絲材等)逐層累加制造實(shí)體構(gòu)件,是一種自下而上疊加材料成形的“自由制造”過(guò)程(王華明 2014,李滌塵等2015).自20 世紀(jì)80 年代逐步發(fā)展過(guò)程中,增材制造也因其工藝特性被稱(chēng)為“材料累加制造”(material increase manufacturing)、“快速成形”(rapid prototyping)、“分層制造”(layered manufacturing)、“實(shí)體自由制造”(solid freeform fabrication)、“3D 打印”(3D printing)等(魏青松等2016).AM 在材料性能局部調(diào)控、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件快速制造、設(shè)計(jì)制造一體化、個(gè)性化定制、高附加值產(chǎn)品制造等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),從而保障了多材料多尺度結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型的可制造性,是分離式設(shè)計(jì)制造向數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化轉(zhuǎn)變的有效實(shí)現(xiàn)手段之一,在航空、航天、交通和核電等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用空間和廣闊的發(fā)展前景.

目前,AM 受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和高度重視,各國(guó)政府也相繼制定政策規(guī)劃予以重點(diǎn)支持.在“中國(guó)制造2025”、美國(guó)“國(guó)家先進(jìn)制造戰(zhàn)略計(jì)劃”、德國(guó)“工業(yè)4.0 戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施建議”等國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃下,增材制造被置于重點(diǎn)發(fā)展的層面并形成了多種制造技術(shù).其中,金屬增材制造技術(shù)作為增材制造體系中最前沿和最具難度的技術(shù),是先進(jìn)制造的重要發(fā)展方向,并有望成為實(shí)現(xiàn)高端工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)跨代提升的一條關(guān)鍵技術(shù)途徑.依據(jù)所作用于金屬零部件制造的階段來(lái)分,現(xiàn)有金屬增材制造技術(shù)分可為兩類(lèi):“直接金屬增材制造”和“間接金屬增材制造”.其中,前者是指直接熔合金屬形成冶金結(jié)合的金屬增材制造技術(shù);后者是指作用在成形階段且需要后續(xù)進(jìn)行鑄造、燒結(jié)、擴(kuò)散焊等冶金加工的增材制造技術(shù),如鑄造模料的激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering,SLS),金屬?lài)娚?D 打印技術(shù)等.本文僅關(guān)注直接金屬增材制造技術(shù).

直接金屬增材制造技術(shù)依據(jù)熱源、材料進(jìn)給方式不同可細(xì)分為多種分支,如圖1所示.依據(jù)材料進(jìn)給方式劃分,直接金屬增材制造技術(shù)包括粉末床熔融(powder bed fusion,PBF)和定向能量沉積(directed energy deposition,DED)兩類(lèi),兩者各有其優(yōu)缺點(diǎn).金屬粉床熔融增材制造技術(shù)主要包括激光選區(qū)熔融技術(shù)(laser beam PBF,PBF_LB)和電子束選區(qū)熔融技術(shù)(electron beam PBF,PBF_EB).其中,PBF_LB 通常選用粒徑為10～50 μm 的精細(xì)粉末作為成形材料以滿(mǎn)足高流動(dòng)性的需求,具有成形材料晶粒細(xì)小、成形精度高、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形能力強(qiáng)、成形材料與構(gòu)件力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),但受限于成形效率低、成形尺寸小、成本高等缺點(diǎn).相比于PBF_LB,PBF_EB 通常選用粒徑為50～200 μm 的粉末以避免成形中因粉末流動(dòng)性高而導(dǎo)致粉層潰散的問(wèn)題,具有熱輸入大可實(shí)現(xiàn)脆性材料/高熔點(diǎn)金屬(如TiAl 合金、鎢等)的有效制造、真空成形艙可防止金屬被空氣氛圍中的雜質(zhì)污染、有效預(yù)熱(溫度達(dá)到1000 K 以上)可有效消除殘余應(yīng)力/抑制變形等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)真空環(huán)境的嚴(yán)格要求則限制了其制造工作空間并提高了制造成本.定向能量沉積增材制造技術(shù)主要包括激光送粉增材制造技術(shù)(DED_LB)、電子束送絲增材制造技術(shù)(DED_EB),電弧送絲增材制造技術(shù)(DED_ARC)(Xu et al.2021)等.該類(lèi)技術(shù)主要是利用高能熱源對(duì)同軸輸送的粉材或絲材進(jìn)行逐層熔化凝固堆積,具有成形效率高、成形尺寸大的技術(shù)優(yōu)勢(shì),但是其成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低,且后續(xù)需結(jié)合機(jī)械加工以提升尺寸和表面精度.

圖1

現(xiàn)階段,金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用仍面臨著諸多難題和挑戰(zhàn),涉及力學(xué)、光學(xué)、材料、機(jī)械、控制等多個(gè)學(xué)科的交叉.由于其冶金缺陷形成機(jī)理、微觀(guān)組織演化規(guī)律、翹曲變形與分層開(kāi)裂預(yù)測(cè)、表面質(zhì)量和成形尺寸精度控制等基礎(chǔ)理論問(wèn)題尚未完全突破,金屬增材制造技術(shù)在構(gòu)件成形精度、力學(xué)性能以及成形效率等方面仍存在著不足,限制了其在工程中的廣泛深入應(yīng)用.這些關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題均涉及力學(xué),具體包括面向金屬增材制造的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、制造過(guò)程數(shù)值模擬、缺陷表征與性能評(píng)價(jià)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?制造模擬?性能評(píng)價(jià))等關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題.因此,從力學(xué)的角度來(lái)講,為實(shí)現(xiàn)金屬增材制造成形構(gòu)件的形貌可控(控形)和優(yōu)異力學(xué)性能保障(保性),則需要對(duì)這三個(gè)方面開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究,如圖2所示.

圖2

如何將金屬增材制造技術(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合是發(fā)揮制造工藝特性實(shí)現(xiàn)控形保性的第一個(gè)關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題,引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究(Zhu et al.2021).拓?fù)鋬?yōu)化致力于尋找具備最優(yōu)性能的結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型,以其科學(xué)高效的設(shè)計(jì)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)過(guò)度依賴(lài)于人為經(jīng)驗(yàn)的低效率模式,已成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化學(xué)科的主流發(fā)展方向之一(Eshenauer et al.2001,Guo et al.2010).不同于傳統(tǒng)制造工藝,金屬增材制造“自由制造”的工藝特性解決了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)面臨的可制造性問(wèn)題;同時(shí),拓?fù)鋬?yōu)化產(chǎn)生的高性能復(fù)雜構(gòu)型零件使得金屬增材制造優(yōu)勢(shì)得以充分體現(xiàn).然而,金屬增材制造技術(shù)也有其獨(dú)特的工藝約束,如最小/最大尺寸、自支撐懸挑角度、連通性、殘余應(yīng)力與變形等約束,對(duì)現(xiàn)有的拓?fù)鋬?yōu)化理論和算法提出了新的挑戰(zhàn).因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞增材制造技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)制于形與不止于形的兩類(lèi)關(guān)鍵需求開(kāi)展了大量研究,具體包括 “考慮增材制造工藝約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究”和“材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究”兩方面.

金屬增材制造過(guò)程的數(shù)值模擬是輔助工藝參數(shù)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件控形保性制備的關(guān)鍵手段(魏雷等2017,陳嘉偉等2020).金屬增材制造過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的金屬粉材/絲材冶金過(guò)程,涉及微觀(guān)尺度上晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、介觀(guān)尺度上金屬熔池流體動(dòng)力學(xué)以及宏觀(guān)尺度上構(gòu)件熱致變形力學(xué)等多尺度多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題.對(duì)于給定的合金材料和金屬增材制造設(shè)備,構(gòu)件的制備成功率和成形質(zhì)量很大程度上取決于所選用的工藝參數(shù)和掃描策略等.這是因?yàn)?制造過(guò)程的主要工藝參數(shù)和掃描策略與晶體生長(zhǎng)、熔池流動(dòng)穩(wěn)定性、內(nèi)應(yīng)力演化等相關(guān),選取不當(dāng)可導(dǎo)致各種內(nèi)部冶金缺陷(如孔隙、融合不良、微裂紋、夾雜等),形成復(fù)雜的材料微觀(guān)組織,引發(fā)翹曲變形和分層開(kāi)裂等問(wèn)題,使得最終成形材料與構(gòu)件的力學(xué)性能不及預(yù)期甚至打印失敗.但是,該冶金過(guò)程十分復(fù)雜,使得開(kāi)展微觀(guān)尺度上微觀(guān)組織演化和介觀(guān)尺度上熔池內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程在位實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)與測(cè)量比較困難,同時(shí)所涉及參數(shù)量巨大使得“試錯(cuò)法”探究最優(yōu)工藝參數(shù)窗口存在效率低、周期長(zhǎng)、代價(jià)高昂等缺點(diǎn)(Wei et al.2021).因此,數(shù)值模擬是研究該問(wèn)題的一種重要且高效的研究手段.目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一復(fù)雜的多尺度多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題開(kāi)展了大量數(shù)值建模和計(jì)算方法研究,主要包括傳熱傳質(zhì)過(guò)程、材料凝固微觀(guān)組織模擬以及基于晶體塑性模型的力學(xué)性能預(yù)測(cè)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“過(guò)程?組織?性能”)三個(gè)方面(Hashemi et al.2021).

金屬增材制造材料與構(gòu)件的缺陷表征分析與靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和疲勞性能評(píng)價(jià)是保證其工程服役可靠性與安全性的關(guān)鍵手段.目前,金屬増材制造成形材料與構(gòu)件不可避免地具有多種缺陷,包括表面缺陷(如表面粗糙度、成形尺度精度等)和內(nèi)部缺陷(如孔隙、裂紋、夾雜等)等,對(duì)材料與構(gòu)件的宏觀(guān)力學(xué)性能具有較大的影響(Sanaei et al.2021).同時(shí),這些缺陷的類(lèi)型、尺寸、形貌和空間分布位置與具體的工藝參數(shù)(熱源功率、掃描速度、掃描間距、鋪層厚度/送粉或送絲速率、掃描策略等)和材料類(lèi)型直接相關(guān),致使增材制造材料力學(xué)性能空間分布和構(gòu)件強(qiáng)度具有較大的離散性(Geng et al.2019a,Echeta et al.2020).相比于靜態(tài)力學(xué)性能,金屬増材制造中特殊微觀(guān)組織和缺陷對(duì)成形材料的疲勞性能、抗沖擊性能的影響更加復(fù)雜(Wu Z et al.2021),嚴(yán)重制約了其在工程中的廣泛應(yīng)用.目前,針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究,主要包括制造缺陷表征、成形材料與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞性能和抗沖擊性能評(píng)價(jià)等方面.

本文對(duì)上述金屬增材制造技術(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、制造過(guò)程模擬、缺陷分析和性能評(píng)價(jià)等關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述.文章包括三部分:第一部分為面向增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),重點(diǎn)介紹了考慮其工藝約束的拓?fù)鋬?yōu)化和基于增材制造技術(shù)的材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化方面的研究現(xiàn)狀;第二部分介紹金屬增材制造的多尺度多物理場(chǎng)建模與計(jì)算模擬分析,主要包括傳熱傳質(zhì)過(guò)程、微觀(guān)組織、力學(xué)性能預(yù)測(cè)三方面的工作;第三部分介紹金屬增材制造材料與構(gòu)件中的常見(jiàn)缺陷表征及其性能評(píng)價(jià),重點(diǎn)介紹了缺陷類(lèi)型及表征、成形構(gòu)件強(qiáng)度、成形材料疲勞性能和抗沖擊性能評(píng)價(jià)等方面的研究工作.在綜述中,介紹了作者在這些方面的相關(guān)工作,并對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題的未來(lái)研究方向進(jìn)行了一些思考與展望.

2 面向金屬增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

金屬增材制造技術(shù)的“自由制造”工藝特性使得跨尺度多層級(jí)、幾何形式高度復(fù)雜構(gòu)件的制造成為可能.如何將拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造技術(shù)相融合以設(shè)計(jì)制備具有優(yōu)異性能和功能特性的構(gòu)件是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向.金屬增材制造技術(shù)雖然極大地?cái)U(kuò)大了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間,但本身也具有獨(dú)特的工藝約束.因此,面向金屬增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主要分為兩類(lèi):第一類(lèi)是建立考慮金屬增材制造工藝約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究,即“造物制于形”;第二類(lèi)則是充分發(fā)揮金屬增材制造可從微觀(guān)到宏觀(guān)充分控制材料屬性、結(jié)構(gòu)功能的工藝優(yōu)勢(shì),發(fā)展材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究,即“造物不止于形”.

2.1 造物制于形:考慮增材制造工藝約束的拓?fù)鋬?yōu)化

金屬增材制造技術(shù)雖然解決了拓?fù)鋬?yōu)化的可制造性難題,但也存在一些獨(dú)特的工藝約束,需要在拓?fù)鋬?yōu)化算法中予以考慮.這些獨(dú)特的工藝約束主要包括最小/最大尺寸約束、自支撐懸挑角度約束、連通性約束、成形材料的各向異性、殘余應(yīng)力與變形約束等.圍繞這些工藝約束,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的拓?fù)鋬?yōu)化模型研究.

2.1.1 最小/最大尺寸約束

由第1 節(jié)可知,不同金屬增材制造工藝及設(shè)備具有不同的打印精度和成形尺寸限制,這就要求精確控制拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的最小/最大尺寸,如圖3(a)所示.在考慮最小尺寸約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方面,Poulsen(2003)通過(guò)引入全局密度場(chǎng)梯度變化約束,首次實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋬?yōu)化的最小尺寸控制;Sigmund(2007)建立了一種三場(chǎng)映射模型,具有收斂穩(wěn)定、結(jié)果清晰且尺寸特征可控等優(yōu)點(diǎn).然而上述工作均是以一種隱式描述模型控制尺寸,并不能精確控制結(jié)構(gòu)尺寸.為此,Zhou 等(2015)發(fā)展了一種連續(xù)可微的最小尺寸約束顯式表達(dá)列式,實(shí)現(xiàn)了最小尺寸的精確控制.在考慮最大尺寸約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方面,Guest(2009)基于局部區(qū)域材料體分比,建立了最大尺寸約束列式.此外,一些學(xué)者利用水平集方法具有清晰結(jié)構(gòu)邊界的優(yōu)點(diǎn),提出了一系列尺寸控制函數(shù),如Chen 等(2008)、Guo 等(2014)和Wang 等(2016b).Zhang 等(2016)利用移動(dòng)變形組件法的優(yōu)異幾何特征控制能力,實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的最小尺寸控制.然而,以上工作是以適用于所有工藝的通用尺寸約束為對(duì)象,并未針對(duì)具體增材制造工藝開(kāi)展特定的尺寸控制研究.近期,針對(duì)DED_ARC 工藝,Liu(2019)考慮了噴頭直徑的大小,提出了一種分段尺寸特征約束,以匹配制造工藝,從而釋放設(shè)計(jì)空間.目前,現(xiàn)有工作在面向特定增材制造工藝,考慮打印精度的方向相關(guān)性、直角結(jié)構(gòu)材料堆積、多噴頭打印等具體工藝特征等方面仍有不足,亟需進(jìn)一步提煉和細(xì)化相關(guān)的尺寸特征約束,發(fā)展相應(yīng)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型.

圖3

2.1.2 自支撐約束

2.1.5 殘余應(yīng)力與變形約束

2.1.3 連通性約束

為方便去除支撐材料或未熔融粉末,通常要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部不能含有封閉孔洞(結(jié)構(gòu)連通性約束).針對(duì)此問(wèn)題,Liu S 等(2015)提出一種虛擬溫度場(chǎng)法,將連通性約束轉(zhuǎn)化為最大溫度約束,建立了結(jié)構(gòu)連通性約束描述方法.數(shù)學(xué)上,該方法屬于基于泊松方程的標(biāo)量場(chǎng)約束方法.進(jìn)一步,Zhou 等(2019)應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)了不含封閉孔的組件,然后再將各組件組裝一起.Xiong 等(2020)提出了后處理開(kāi)孔方法,優(yōu)化了開(kāi)孔及通道位置,相關(guān)結(jié)果如圖3(c)所示.近期,王超等(2021)基于泊松方程的標(biāo)量場(chǎng)約束方法建立了協(xié)同考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可制造連通性的拓?fù)鋬?yōu)化模型,以實(shí)現(xiàn)確保可制造連通性的同時(shí)有效減輕應(yīng)力集中效應(yīng).但是,現(xiàn)有方法只能避免無(wú)封閉孔洞,難以控制流道的流通性.對(duì)于不同的增材制造技術(shù),例如PBF_LB 和PBF_EB 具有不同的粉末流動(dòng)性能要求,而較差的流通性會(huì)造成后處理工藝?yán)щy甚至失敗.因此,如何建立考慮粉末流動(dòng)性能約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題.

2.1.4 成形材料力學(xué)性能的各向異性約束

相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù),成形金屬材料力學(xué)性能的各向異性是增材制造技術(shù)的獨(dú)有特點(diǎn).在設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮材料力學(xué)性能的各向異性可有效降低該工藝特性對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能的影響.針對(duì)該問(wèn)題,Liu 和To(2017)考慮了打印路徑對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響,提出了一種打印路徑與結(jié)構(gòu)拓?fù)洳l(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.隨后,邊界偏移、中軸偏移及混合型路徑與結(jié)構(gòu)拓?fù)涞膮f(xié)同優(yōu)化方法被相繼提出,如Liu 和 To(2017)、Dapogny 等(2019),所設(shè)計(jì)結(jié)果更加貼近真實(shí)的打印路徑選擇(圖4).Mirzendehdel 等(2018)利用Tsai-Wu 失效準(zhǔn)則建立了增材制造材料的各向異性強(qiáng)度準(zhǔn)則,所設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的試驗(yàn)強(qiáng)度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)應(yīng)力約束拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果.Li S 等(2020)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā),提出了結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c打印方向的協(xié)同優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了制造工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì).然而,現(xiàn)階段增材制造材料各向異性力學(xué)屬性的定量表征過(guò)于簡(jiǎn)化,如何建立多元工藝參數(shù)下的各向異性材料的精準(zhǔn)表征模型,并發(fā)展相應(yīng)的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化算法是現(xiàn)階段亟需解決的重要問(wèn)題.

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的同時(shí)，用戶(hù)最關(guān)心的就是安全性，但是目前大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)協(xié)議缺乏認(rèn)證或加密完整性，甚至一些廠(chǎng)商的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)默認(rèn)配置中存在安全漏洞問(wèn)題。隨著更多工廠(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，安全成為人們對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和總線(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用擔(dān)心的最大問(wèn)題。在實(shí)際中可以考慮將管理系統(tǒng)、MES、工業(yè)控制系統(tǒng)等各種功能區(qū)域劃分為不同的安全域，并采用防火墻、安全網(wǎng)關(guān)等技術(shù)將其隔離，并在不同的安全域根據(jù)其需求的不同定義不同的安全策略（包括邊界防火墻、網(wǎng)關(guān)的策略），部署不同的安全產(chǎn)品進(jìn)行防護(hù)。

圖4

大懸挑結(jié)構(gòu)打印過(guò)程中,需在其下方添加支撐結(jié)構(gòu)以防坍塌,同時(shí)將上層沉積熱量傳導(dǎo)到基底以降低溫度梯度從而減少熱應(yīng)力.但是支撐結(jié)構(gòu)的使用不僅增加打印時(shí)間及成本,而且?guī)?lái)后處理難題.為此,亟需發(fā)展大懸挑約束描述方法,建立考慮結(jié)構(gòu)自支撐約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)自支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).為此,Gaynor 等(2016)基于映射的思想將懸挑角度約束集成到插值列式中,結(jié)果如圖3(b)所示.Langelaar(2016)提出了一個(gè)過(guò)濾算子,以保證每個(gè)實(shí)體單元下方有支撐單元.Qian(2017)提出了一種基于密度梯度的懸挑角約束顯式列式,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)邊界懸挑角的有效控制.Guo 等(2017)基于移動(dòng)變形組件和移動(dòng)變形孔洞方法,提出了以約束組件和孔洞特征位姿為核心思想的自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法.Zhang 等(2018)以多邊形孔洞的形位特征為設(shè)計(jì)變量,基于孔洞控形建立了自支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化框架.Wang 等(2018)以水平集方法為基礎(chǔ),利用水平集函數(shù)邊界處法向量的高效計(jì)算,建立了積分形式的結(jié)構(gòu)自支撐約束.最近Luo 等(2020)提出了一種只考慮封閉內(nèi)孔自支撐設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化方法,以釋放設(shè)計(jì)空間.目前考慮自支撐約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究主要是設(shè)定懸挑角度約束,然而,Liu J 等(2020)指出結(jié)構(gòu)坍塌極限與材料屬性、懸挑角度以及懸挑長(zhǎng)度等多個(gè)因素都具有明確關(guān)系.因此,針對(duì)具體工藝建立更為精確的自支撐標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)亟需解決的重要問(wèn)題.

金屬增材制造過(guò)程中反復(fù)地快速加熱與急速冷卻會(huì)造成零件內(nèi)部明顯的殘余應(yīng)力累積,導(dǎo)致成形構(gòu)件大變形或開(kāi)裂等問(wèn)題,如圖5(a)所示.因此,結(jié)合殘余應(yīng)力和變形場(chǎng)的高效計(jì)算模型,探索殘余應(yīng)力和變形約束下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法,可實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力和變形的有效調(diào)控.以固有應(yīng)變法工藝過(guò)程仿真模型(圖5(b)),(Chen et al.2019)為基礎(chǔ),Zhang 等(2020)提出有限計(jì)算規(guī)模下的應(yīng)力或變形約束結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化算法,從產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面降低了金屬增材制造結(jié)構(gòu)件的變形開(kāi)裂缺陷率,如圖5(c)所示.但是,現(xiàn)有拓?fù)鋬?yōu)化算法以固有應(yīng)變載荷的線(xiàn)性一體加載為基礎(chǔ),所計(jì)算的殘余應(yīng)力和變形值較實(shí)際情況偏離大,欠缺對(duì)殘余應(yīng)力與變形的精準(zhǔn)調(diào)控.近期,Takezawa 等(2020)提出了基于固有應(yīng)變分層加載的殘余變形約束結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,其殘余變形控制效果得到了試驗(yàn)驗(yàn)證.但是,基于固有應(yīng)變分層載荷的殘余應(yīng)力約束結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究尚未見(jiàn)報(bào)道,該算法的難點(diǎn)在于固有應(yīng)變分層彈塑性加載導(dǎo)致的物理問(wèn)題非線(xiàn)性以及殘余應(yīng)力約束關(guān)聯(lián)的優(yōu)化問(wèn)題非線(xiàn)性.因此,基于固有應(yīng)變法的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化算法在工藝仿真模型的完整性、敏感度模型的完整性等方面仍有較大的發(fā)展完善空間.

圖5

2.2 造物不止于形:基于增材制造的材料結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化

在成形過(guò)程中,金屬增材制造技術(shù)具有調(diào)控材料性能、結(jié)構(gòu)功能等的潛力,可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的微觀(guān)屬性與宏觀(guān)拓?fù)湫螤畈⑿谢苽?是材料/結(jié)構(gòu)?功能一體化設(shè)計(jì)制備的關(guān)鍵支撐技術(shù).該制造技術(shù)與材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)思想(Bends?e et al.1988)相契合,有望實(shí)現(xiàn)“造物不止于形”,如圖6所示(Zhu et al.2021).同時(shí),材料?結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)可為以目標(biāo)性能為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)增材制造定制化設(shè)計(jì)提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù),充分發(fā)揮增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì).因此,借助于兩者各自的特點(diǎn)及其結(jié)合的優(yōu)勢(shì),可充分挖掘結(jié)構(gòu)性能的潛力,并促進(jìn)增材制造技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用.針對(duì)目前的材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)工作,本節(jié)主要從尺度分離和尺度相關(guān)兩個(gè)角度展開(kāi)論述.

11月13日晚，已停牌530個(gè)交易日的深深房A（000029.SZ）發(fā)布最新一期停牌進(jìn)展公告，稱(chēng)仍需繼續(xù)停牌不超過(guò)一個(gè)月。公告指出，重大資產(chǎn)重組涉及深圳市國(guó)有企業(yè)改革，交易結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，擬購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)的資產(chǎn)系行業(yè)龍頭類(lèi)資產(chǎn)，資產(chǎn)規(guī)模較大，屬于重大無(wú)先例事項(xiàng)。

圖6

2.2.1 尺度分離模型

尺度分離的材料/結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是指宏觀(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)之間采用均勻化方法建立聯(lián)系,即以均勻化方法評(píng)估微結(jié)構(gòu)的等效屬性并用于宏觀(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化,同時(shí)以宏觀(guān)結(jié)構(gòu)性能驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型的迭代.因此,該算法消除了宏微觀(guān)結(jié)構(gòu)之間的尺寸關(guān)聯(lián),從而可以實(shí)現(xiàn)兩者的分離式拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),具有較高的計(jì)算效率.依據(jù)所采用的微結(jié)構(gòu)種類(lèi)不同,尺度分離的材料/結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型大致可分為兩類(lèi).

在英語(yǔ)學(xué)習(xí)中，教師除了將課本上知識(shí)點(diǎn)向?qū)W生講解外，可適當(dāng)做出內(nèi)容發(fā)散，不要求學(xué)生一定掌握，但通過(guò)經(jīng)常性的引導(dǎo)，讓學(xué)生可以提前接觸更深入的知識(shí)內(nèi)容，同時(shí)提升舉一反三的能力，以便其在遇到新的知識(shí)點(diǎn)、新的題型時(shí)可以更快找到著手之處。同時(shí)，也可利用學(xué)校的“第二課堂”等活動(dòng)，面向一些想要深入學(xué)習(xí)英語(yǔ)的學(xué)生，適當(dāng)深化學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生在攻堅(jiān)克難中培養(yǎng)興趣，塑造品格。

第一類(lèi)模型的基本思想是以單類(lèi)微結(jié)構(gòu)均勻分布宏觀(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi)為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合宏觀(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化要素,建立材料/結(jié)構(gòu)多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)宏觀(guān)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì),相關(guān)案例如圖7所示.早期,Rodrigues 等(2002)率先構(gòu)造了以“宏觀(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)洹焙汀安牧衔⒔Y(jié)構(gòu)”兩種元素為優(yōu)化對(duì)象的尺度分離拓?fù)鋬?yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能的提升.其中,首先進(jìn)行宏觀(guān)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),以每個(gè)有限單元的密度作為微結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)約束,再對(duì)每個(gè)有限單元內(nèi)材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).基于此,Liu 等(2008)采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法,在宏觀(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮了單類(lèi)晶格微結(jié)構(gòu),建立了材料/結(jié)構(gòu)多尺度并行化拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì).為減少宏微觀(guān)結(jié)構(gòu)并行優(yōu)化的計(jì)算成本,Huang 等(2013)采用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在優(yōu)化中固定宏觀(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)?僅考慮宏觀(guān)負(fù)載結(jié)構(gòu)邊界條件對(duì)材料微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響.Wang 等(2016a)采用經(jīng)典的水平集方法,實(shí)現(xiàn)了單類(lèi)微結(jié)構(gòu)材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型,并指出在特定的邊界負(fù)載條件下,多尺度設(shè)計(jì)可得到剛度性能更優(yōu)異的結(jié)構(gòu).在上述工作中,所建立的材料/結(jié)構(gòu)多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)模型具有模型簡(jiǎn)單、優(yōu)化成本低、計(jì)算效率高、不存在微結(jié)構(gòu)之間連接性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),但是單類(lèi)微結(jié)構(gòu)的種類(lèi)太少,制約了多尺度優(yōu)化對(duì)目標(biāo)性能進(jìn)一步提升的可能性.

圖7

臨床術(shù)后診斷的肋骨骨折118處，其中背段、腋段、前段和軟骨段分別為38、58、15和7處，診斷符合率分別為97.4%、96.7%、93.3%和71.4%。術(shù)后診斷不符合共6處，1處腋前交界區(qū)臨床歸為前段，1處腋后交界區(qū)臨床歸為背段，肋軟骨線(xiàn)形骨折漏診2處（表2）。

圖8

2.2.2 尺度相關(guān)模型

尺度相關(guān)的材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是指宏觀(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)之間采用統(tǒng)一的有限元數(shù)值分析模型,通過(guò)施加額外約束同時(shí)驅(qū)動(dòng)宏觀(guān)結(jié)構(gòu)和其微結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型的迭代.由于使用了相同的有限元分析模型,可避免尺度分離與不明確性引發(fā)的微結(jié)構(gòu)連接性以及后期制造難等問(wèn)題.目前,依據(jù)所采用的拓?fù)鋬?yōu)化方法不同,尺度相關(guān)的多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型大致可分為以下兩類(lèi).

基于密度法的材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),主要是在優(yōu)化過(guò)程中通過(guò)控制網(wǎng)格的大小和全局體積約束以及對(duì)結(jié)構(gòu)施加最大特征尺寸約束,設(shè)計(jì)具有微觀(guān)多孔結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征.因此,該優(yōu)化設(shè)計(jì)也稱(chēng)為最大特征尺寸控制的尺度相關(guān)(全尺度)材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)湓O(shè)計(jì).早期,Zhang等(2006)與Huang 等(2008)均考慮了一種微結(jié)構(gòu)周期性重復(fù)排列在宏觀(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi),在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中,人為地將設(shè)計(jì)域劃分為有限個(gè)子設(shè)計(jì)域.雖然僅考慮單類(lèi)微結(jié)構(gòu)的材料/結(jié)構(gòu)全尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)單、優(yōu)化效率快、不存在微結(jié)構(gòu)之間連接性問(wèn)題,但是單類(lèi)微結(jié)構(gòu)限制了對(duì)目標(biāo)性能的提升.相比于單類(lèi)微結(jié)構(gòu)的多尺度設(shè)計(jì),Zhang 等(2006)實(shí)現(xiàn)了功能梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可提高目標(biāo)性能,同時(shí)采用全尺度有限元可巧妙避免不同微結(jié)構(gòu)的連接性問(wèn)題.Alexandersen 等(2015)首次指出,如果對(duì)設(shè)計(jì)施加最大結(jié)構(gòu)尺度約束,則可以獲得空間上到處變化的微觀(guān)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié).基于該思想,Wu 等(2017)提出了局部體積約束的多尺度結(jié)構(gòu)最大尺度約束方式,并用于骨骼類(lèi)與座椅類(lèi)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),相關(guān)結(jié)果如圖9所示.這種設(shè)計(jì)方法廣泛應(yīng)用于外殼?填充結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如Qiu 等(2020)、Chen X 等(2021).另外,Li H 等(2020,2021)將這種局部約束的思想拓展到了多相復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了多相梯度多孔填充結(jié)構(gòu)全尺度設(shè)計(jì)和纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).基于密度法的全尺度材料/結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有易于實(shí)施、拓展性強(qiáng)的特點(diǎn),然而由于使用了全尺度有限元模型而導(dǎo)致優(yōu)化成本急劇增加.因此,如何提高其計(jì)算效率,將其拓展到三維實(shí)際應(yīng)用,是目前亟需解決的重要問(wèn)題.

著作權(quán)集體管理組織具備代表著作權(quán)人規(guī)?；芾硎聞?wù)的優(yōu)勢(shì)，其是節(jié)約交易成本、促進(jìn)作品利用和適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的主體。我國(guó)的著作權(quán)集體管理組織應(yīng)去“行政化”和過(guò)度“壟斷化”，回歸代表著作權(quán)人利益的制度價(jià)值。唯此，才能夠集合并代表眾多的著作權(quán)人，獲得大量的授權(quán)，在適度的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中提高大規(guī)模許可效率。

圖9

此外,基于其他拓?fù)鋬?yōu)化方法的多尺度設(shè)計(jì)也被廣泛研究.例如,Wu 等(2019)提出了一種子結(jié)構(gòu)法,即將整個(gè)結(jié)構(gòu)被假定為由具有共同幾何圖案元胞的子結(jié)構(gòu)組成.其中,優(yōu)化的每個(gè)子結(jié)構(gòu)被壓縮成一個(gè)具有簡(jiǎn)化自由度的超單元,其密度設(shè)計(jì)變量與晶格幾何特征參數(shù)相關(guān)聯(lián).該方法極大地提高了全尺度拓?fù)鋬?yōu)化的效果.Liu 和 Zong 等(2020)提出了多類(lèi)微結(jié)構(gòu)截取水平集方法(M-VCUT),用于材料/結(jié)構(gòu)全尺度設(shè)計(jì),并借助全尺度有限元保證了相鄰微結(jié)構(gòu)之間的自然連接性.Liu 和 Du 等(2020)采用移動(dòng)可變性組件/孔洞方法,實(shí)現(xiàn)了面向增材制造的外殼?梯度填充多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);該方法所用設(shè)計(jì)參數(shù)較少,并且避免了設(shè)計(jì)結(jié)果的后處理過(guò)程.然而,上述研究一般均預(yù)定義幾類(lèi)固定的微結(jié)構(gòu)構(gòu)型,在一定程度上降低了多尺度設(shè)計(jì)的可行性設(shè)計(jì)空間.因此,如何建立更為高效且保證微結(jié)構(gòu)構(gòu)型多樣化,同時(shí)可大幅度提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能的材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法仍亟待解決.

同時(shí)，在一個(gè)學(xué)期的期初、期中和期末，再成長(zhǎng)記錄袋中，鼓勵(lì)學(xué)生加入個(gè)人的學(xué)期初目標(biāo)、學(xué)期中自我評(píng)價(jià)和計(jì)劃完成情況總結(jié)以及期末總結(jié)。培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)主人翁意識(shí)，承擔(dān)學(xué)習(xí)責(zé)任。同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生設(shè)立學(xué)習(xí)目標(biāo)和計(jì)劃，并執(zhí)行計(jì)劃的能力。

2.3 小結(jié)

本節(jié)針對(duì)面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,詳細(xì)梳理了現(xiàn)有的“造物制于形”和“造物不止于形”兩個(gè)方面的研究工作.

在“造物制于形”方面,針對(duì)考慮金屬增材制造工藝約束的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法研究,重點(diǎn)討論了如何在拓?fù)鋬?yōu)化中引入結(jié)構(gòu)特征(最大、最小)尺寸約束、自支撐約束、連通性約束、材料各向異性約束與殘余應(yīng)力約束等.在上述各類(lèi)制于形約束的研究中,已有工作主要致力于建立更為共性的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法,缺乏對(duì)(由制造工藝多樣性與工藝參數(shù)多元化導(dǎo)致的)可制造性約束差異化與不確定性的考慮.因此,如何面向特定增材制造工藝的可制造性約束建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),是亟待解決的重要難題.

在“造物不止于形”方面,基于增材制造技術(shù),材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)主要包括尺度分離與尺度相關(guān)拓?fù)鋬?yōu)化,每一部分具體包括單類(lèi)微結(jié)構(gòu)和多類(lèi)微結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面.相比于尺度分離式設(shè)計(jì),尺度相關(guān)的多尺度設(shè)計(jì)更具備工程適用性,近些年得到較為廣泛的研究.相比于單類(lèi)微結(jié)構(gòu)多尺度設(shè)計(jì),考慮多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的多尺度優(yōu)化模型雖然可增加設(shè)計(jì)空間,但是數(shù)值求解更加復(fù)雜.因此,如何建立高效的多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型并確保多類(lèi)微結(jié)構(gòu)之間的高階銜接性以避免應(yīng)力集中,是亟待解決的重要難題.此外,目前材料?結(jié)構(gòu)跨尺度一體化設(shè)計(jì)研究重在建立拓?fù)鋬?yōu)化模型,缺乏與增材制造技術(shù)的具體結(jié)合.如何在材料?結(jié)構(gòu)跨尺度一體化設(shè)計(jì)中,考慮增材制造對(duì)微觀(guān)幾何構(gòu)型尺寸影響的重要因素以及晶粒大小與分布對(duì)材料力學(xué)性能的影響等,也是亟待解決的重要問(wèn)題.

最后,在面向增材制造的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中,建立可同時(shí)考慮“制于形”和“不止于形”兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素的拓?fù)鋬?yōu)化模型,并針對(duì)涉及多物理場(chǎng)的工程問(wèn)題開(kāi)展應(yīng)用研究,也是亟待發(fā)展的研究方向.

3 金屬增材制造的數(shù)值模擬

目前,增材制造的數(shù)值模擬研究屬于學(xué)術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)研究(Lou et al.2021),如圖10所示,其中以金屬增材制造的數(shù)值模擬(Wei et al.2021)為主.金屬增材制造過(guò)程涉及長(zhǎng)時(shí)熱循環(huán)下材料受熱熔化、熔池流動(dòng)凝固、材料微觀(guān)組織形成、內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變演化等,是一個(gè)涉及幾何、材料和邊界條件強(qiáng)非線(xiàn)性的多尺度多物理場(chǎng)問(wèn)題.本節(jié)主要從傳熱傳質(zhì)過(guò)程數(shù)值模擬、凝固微觀(guān)組織數(shù)值模擬和“過(guò)程?組織?力學(xué)性能”一體化數(shù)值模擬三個(gè)方面,對(duì)現(xiàn)有研究工作依次進(jìn)行論述.

德國(guó)“巴赫國(guó)際鋼琴比賽”將于2019年3月11至21日在德國(guó)烏茲堡舉行。該比賽每三年舉行一次，年齡限制：0至36歲。比賽一等獎(jiǎng)獎(jiǎng)金為4000歐元。比賽共分為三輪，第一輪：獨(dú)奏；第二輪：獨(dú)奏；決賽輪：獨(dú)奏30至40分鐘。比賽曲目與詳情請(qǐng)關(guān)注網(wǎng)站。

圖10

3.1 傳熱傳質(zhì)過(guò)程數(shù)值模擬

傳熱傳質(zhì)過(guò)程模擬是探究金屬增材制造過(guò)程各種物理現(xiàn)象、揭示缺陷形成機(jī)理、優(yōu)化工藝參數(shù)的關(guān)鍵手段,也是后續(xù)材料凝固微觀(guān)組織模擬的前提.依據(jù)所關(guān)注的物理問(wèn)題或其尺度不同,金屬增材制造傳熱傳質(zhì)過(guò)程數(shù)值模擬所采用的模型可分為三類(lèi):“熱?流”耦合模型,“熱?固”耦合模型以及“熱?流?固”耦合模型.

能量守恒方程

金屬增材制造過(guò)程的“熱?流”耦合模型主要關(guān)注熔池內(nèi)熔融金屬的流動(dòng)和傳熱分析,不考慮其中所涉及的固體力學(xué)問(wèn)題.假設(shè)金屬液體為不可壓牛頓流體、湍流的影響可忽略,該問(wèn)題的控制方程可采用歐拉描述,具體如下:

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

與PF 模型相比,降階PF 模型忽略對(duì)溶質(zhì)濃度控制方程的求解,并限定總的可選晶向數(shù)目,從而降低計(jì)算量以實(shí)現(xiàn)熔池內(nèi)多晶組織的模擬分析.Yang 等(2021)采用此類(lèi)模型并結(jié)合粉末尺度“熱?流”耦合模型,分析了PBF_LB 多層多道熔覆成形中316L 不銹鋼合金微觀(guān)組織的演化過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了外延式生長(zhǎng)晶粒、等軸晶形核和生長(zhǎng)以及部分晶粒粗化過(guò)程的模擬.降階PF 模型雖然可以實(shí)現(xiàn)晶體尺度上模擬,但由于考慮了有限的晶向選擇范圍而在晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)、織構(gòu)預(yù)測(cè)方面有一定的局限性,同時(shí)涉及較多模型參數(shù)需要標(biāo)定和驗(yàn)證,不如CA 方法參數(shù)標(biāo)定簡(jiǎn)單和計(jì)算效率高.此外,PF 模型所得微觀(guān)組織形貌細(xì)節(jié)信息與CA 類(lèi)似.

式中,下角標(biāo)i和j為笛卡爾坐標(biāo)方向,ρ為密度,vi為速度在i方向的分量,t為時(shí)間,p為壓力,μ為金屬液體流動(dòng)黏性系數(shù),為糊狀區(qū)多孔介質(zhì)的滲透率系數(shù)(Kozeny-Carman 公式),fL為流體體積分?jǐn)?shù),bi為體積力(包括浮力、重力以及其他流體驅(qū)動(dòng)力),h為顯熱,k為熱傳導(dǎo)率,cp為比熱容,?H為材料受熱熔化的潛熱,S為體熱源.

邊界條件包括流場(chǎng)邊界條件和熱邊界條件,是傳熱與傳質(zhì)相耦合的關(guān)鍵.其中,在金屬液體自由表面的流場(chǎng)邊界條件主要包括表面張力、反沖壓力(若發(fā)生汽化現(xiàn)象)、電弧壓力(針對(duì)DED_ARC)等.其中,表面張力驅(qū)動(dòng)液體從高溫流向低溫或反之(具體取決于表面張力系數(shù)隨溫度變化值的正負(fù)),即所謂的Marangoni 效應(yīng),是熔池內(nèi)流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力,從而影響熔池的具體形貌和溫度梯度、凝固速率等.熱邊界條件包括沉積層表面的表面熱源、熱對(duì)流、熱輻射,以及熔池表面由于蒸發(fā)而導(dǎo)致的熱損失等.其余流體邊界條件、熱邊界條件以及初始條件則視具體建模和實(shí)驗(yàn)工況而定.在該“熱?流”耦合模型中,熱源模型可采用高斯面熱源模型(Lee et al.2016)、體熱源模型以及射線(xiàn)追蹤熱源模型(Khairallah et al.2020).其中,射線(xiàn)追蹤模型可模擬激光束在粉末層內(nèi)的多次反射吸收過(guò)程,較常用的面熱源模型精度高.

在具體應(yīng)用中,“熱?流”耦合模型包括為兩類(lèi).一類(lèi)是高保真“熱?流”耦合模型,對(duì)金屬粉末或絲材進(jìn)行精細(xì)離散,常用模擬算法包括有限體積法(finite volume method,FVM)、任意拉格朗日歐拉法(arbitrary Lagrangian Euler method,ALE)、格子玻爾茲曼法(lattice Boltzmann method,LBM)等.針對(duì)PBF 增材制造技術(shù),該類(lèi)模型采用精細(xì)網(wǎng)格離散求解粉末的熔化凝固過(guò)程,以研究成形過(guò)程中粉末尺度的各種物理現(xiàn)象和缺陷形成機(jī)理,如球化、剝蝕、飛濺、孔隙、表面粗糙度等.Lee 等(2016)采用離散元法(discrete element method,DEM)模擬實(shí)際鋪粉過(guò)程以獲得粉末隨機(jī)分布的粉床模型,進(jìn)而用FVM和流體體積法 (volume of fluid,VOF)模擬分析了PBF_LB 多道掃描下IN718 合金粉床熔池復(fù)雜形貌的演化過(guò)程,揭示了Marangoni 效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的熔池表面向后流動(dòng)現(xiàn)象,指出熱累積可導(dǎo)致熔池形貌橫截面的不對(duì)稱(chēng)特性.基于該思路,Yan 等(2018b)集成DEM、FVM 和VOF 模擬分析了PBF_EB 多層多道掃描下Ti-6Al-4V 合金熔覆成形過(guò)程,研究了熔覆道搭接區(qū)以及層間結(jié)合區(qū)孔隙的形成機(jī)理,并將其歸因于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)引起的粉末未熔合.與前述工作不同,Khairallah 等(2014,2016,2020)采用美國(guó)Lawrence-Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部程序ALE3D,開(kāi)展了PBF_LB 的高保真模擬,基于該程序自帶的“Particle Pack”工具生成隨機(jī)分布的316L 不銹鋼粉床,深入研究了熔融液體和粉末飛濺、孔隙、粉床剝蝕等物理現(xiàn)象和缺陷的形成機(jī)理,如圖11(a)所示.雖然ALE 算法相比于FVM 更適合求解流固耦合問(wèn)題,但是Khairallah 等(2014,2016,2020)并未開(kāi)展凝固成形材料的內(nèi)應(yīng)力、變形分析.在其他算法方面,Korner 等(2011)采用二維LBM 研究了PBF_EB 增材制造過(guò)程中的球化現(xiàn)象;隨后Ammer 等(2014)發(fā)展了三維并行LBM 并結(jié)合VOF 模擬分析了三維熔池的形成過(guò)程,雖然有望解決大規(guī)模問(wèn)題的數(shù)值模擬,但也僅模擬了尺寸為1 mm×1 mm×0.5mm 規(guī)模的問(wèn)題;近期,Zheng 等(2019)采用三維LBM 研究了PBF_LB 增材制造IN625 合金材料過(guò)程中孔隙形成的機(jī)理,展現(xiàn)了該算法在揭示缺陷形成機(jī)理方面的優(yōu)勢(shì).目前,針對(duì)PBF 增材制造的粉末尺度數(shù)值模型受限于離散規(guī)模大(單元尺寸在微米量級(jí))、時(shí)間步長(zhǎng)小(10?8s 量級(jí))等,僅能模擬有限道次和有限層數(shù)規(guī)模的問(wèn)題,無(wú)法開(kāi)展更大尺寸規(guī)模制造過(guò)程的預(yù)測(cè)分析(Wang &Yan et al.2019).此外,相比于FVM 和ALE,LBM 易于實(shí)現(xiàn)并行算法以求解大規(guī)模問(wèn)題,但相關(guān)研究仍有待進(jìn)一步開(kāi)展.針對(duì)DED_LB 增材制造技術(shù),由于其送粉量大,相應(yīng)的粉末尺度的高保真模擬也僅限于若干個(gè)粉末顆粒落入熔池過(guò)程的模擬,如圖11(b)所示(Aggarwal et al.2021),鮮有工作報(bào)道其單道掃描過(guò)程的粉末尺度模擬.針對(duì)DED_ARC 增材制造技術(shù),Hu 等(2018)采用FVM 和VOF 模擬了Ti-6Al-4V 絲材電子束熔融增材制造過(guò)程(圖11(c)),分析了不同熔滴過(guò)渡模式,指出從滴狀過(guò)渡到液橋過(guò)渡模式的轉(zhuǎn)變與熱輸入、Marangoni 效應(yīng)和反沖壓力有關(guān).雖然絲材直徑顯著大于粉末顆粒可采用較大單元尺寸,但目前直接模擬絲材熔融成形過(guò)程的工作也因計(jì)算規(guī)模大而相對(duì)較少.

圖11

第二類(lèi)“熱?流”耦合模型為基于等效連續(xù)體假設(shè)的“熱?流”耦合模型.與第一類(lèi)模型不同,該類(lèi)模型將粉末或絲材等效為進(jìn)入熔池后的連續(xù)體,從而可提高離散單元尺寸以降低離散規(guī)模,提高計(jì)算效率.因此,該類(lèi)模型主要面向熔池形貌尺寸和考慮熔池內(nèi)對(duì)流效應(yīng)的溫度場(chǎng)模擬,采用的數(shù)值算法有FVM、有限元法(finite element method,FEM)等.基于該類(lèi)模型,Lian 等(2019)采用FVM 并結(jié)合生死單元技術(shù),模擬了DED_LB 增材制造IN718 合金單道8 層的成形過(guò)程,如圖12(a)所示,分析了熔池尺寸、熔池中心縱截面上液相等溫線(xiàn)上溫度梯度、冷卻速率等分布規(guī)律以及隨打印層數(shù)的變化趨勢(shì).進(jìn)一步,Gan 和Lian 等(2019)采用該模型并結(jié)合熔池表面能最小化原理以描述自由液面演化過(guò)程,模擬分析了激光單道掃描IN625 合金基板的過(guò)程,所得熔池形貌尺寸、熔覆層表面形貌與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致.近期,Wang 和 Zhu 等(2021)采用FVM 模擬了DED_LB 增材制造IN718 合金單道4 層的成形過(guò)程,并采用VOF 捕捉了熔池自由表面的演化過(guò)程,研究了熔覆層上表面平整度和過(guò)度堆積缺陷與工藝參數(shù)(如粉末輸送率、線(xiàn)能量密度、粉末/激光匯聚平面欠焦或過(guò)焦等)的關(guān)系.針對(duì)DED_ARC 增材制造技術(shù),Ou 等(2018)模擬了H13 工具鋼單道掃描成形過(guò)程(圖12(b)),分析了工藝參數(shù)對(duì)熔池形貌和制造效率的影響.該類(lèi)模型雖然不能揭示粉末尺度的缺陷形成機(jī)理,但在保證溫度場(chǎng)求解、熔池形貌預(yù)測(cè)結(jié)果合理的前提下,具有較高的計(jì)算效率,適合于控形工藝參數(shù)優(yōu)化研究.

3.1.2 熱?固耦合模型

金屬增材制造過(guò)程的“熱?固”耦合模型主要用于分析成形過(guò)程中熔覆沉積材料及基板溫度分布以及與溫度變化相關(guān)的內(nèi)應(yīng)力/變形演化過(guò)程.由于忽略了熔池內(nèi)部的流動(dòng)和對(duì)流傳熱,該類(lèi)模型所求解控制方程可采用拉格朗日描述,具體如下:

第二類(lèi)模型則是考慮了多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的材料/結(jié)構(gòu)多尺度并行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型,較第一類(lèi)模型可大幅度提升結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能,相關(guān)案例如圖8所示.雖然早期相關(guān)工作考慮了多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),但是其本質(zhì)是宏觀(guān)結(jié)構(gòu)與多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的解耦式設(shè)計(jì),并未實(shí)現(xiàn)并行優(yōu)化,如Zhang 等(2006)開(kāi)展的功能梯度式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).因此,Xia 等(2014)基于FE2方法的非線(xiàn)性多尺度模型,建立了逐點(diǎn)式多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型,但導(dǎo)致大量種類(lèi)微結(jié)構(gòu)的并行化設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量時(shí)間成本.為減少優(yōu)化時(shí)間成本,Alexandersen 等(2015)采用譜粗基預(yù)處理器,并同時(shí)考慮微結(jié)構(gòu)的可制造性以減少微結(jié)構(gòu)的種類(lèi).在后續(xù)的研究中,研究學(xué)者致力于在宏觀(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi)采用分區(qū)域或分層式微結(jié)構(gòu)填充模式(Sivapuram et al.2016),建立多尺度或功能梯度式宏觀(guān)結(jié)構(gòu).為充分發(fā)揮多尺度拓?fù)鋬?yōu)化思想,Li 等(2016,2018)以多孔復(fù)合材料為研究對(duì)象,在多類(lèi)材料微結(jié)構(gòu)中引入功能梯度分布方式,建立了功能梯度多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型.Xiao 等(2021)采用Kriging 模型確保多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的自然連接,建立了跨尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型,實(shí)現(xiàn)了梯度式多類(lèi)微結(jié)構(gòu)?宏觀(guān)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)(圖8(a)),并采用增材制造技術(shù)制備了多個(gè)結(jié)構(gòu)試制樣件(圖8(b));樣件性能測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了材料?結(jié)構(gòu)跨尺度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)異性,表明該拓?fù)鋬?yōu)化方法與增材制造相結(jié)合可充分挖掘結(jié)構(gòu)性能提升的潛力.Gao 等(2019a,2019b,2019c)在多孔復(fù)合材料設(shè)計(jì)中,提煉宏觀(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)?、微結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的三個(gè)核心優(yōu)化要素,建立相應(yīng)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模型,不僅能大幅度提升結(jié)構(gòu)性能,而且可保證一定類(lèi)型數(shù)量的微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及其微尺度拓?fù)涞亩鄻有?相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖8(c)所示.然而,如何確保多類(lèi)微結(jié)構(gòu)拓?fù)湓诤暧^(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi)具備合理的連接特征,以保證宏觀(guān)結(jié)構(gòu)拓?fù)浯嬖诤侠淼牧W(xué)傳遞路徑并有效避免應(yīng)力集中是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題.為解決該類(lèi)問(wèn)題,Radman 等(2012)與Li 等(2018)在多類(lèi)微結(jié)構(gòu)之間建立運(yùn)動(dòng)連接性機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)不同微結(jié)構(gòu)之間的良好銜接.此外,Wang 等(2017)采用了形狀映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)多類(lèi)微結(jié)構(gòu)拓?fù)渚邆溥B續(xù)漸變式,綜上,考慮多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的材料/結(jié)構(gòu)多尺度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),較單類(lèi)微結(jié)構(gòu)的多尺度設(shè)計(jì)增加了多尺度問(wèn)題的可設(shè)計(jì)空間,可大幅度提升結(jié)構(gòu)性能.Zhang H 等(2019)針對(duì)分層梯度式晶格材料開(kāi)展并行化拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),并驗(yàn)證多尺度設(shè)計(jì)在動(dòng)力學(xué)性能上的優(yōu)異性.然而,由于多類(lèi)微結(jié)構(gòu)的引入,第二類(lèi)模型的優(yōu)化成本急劇增加,并且運(yùn)動(dòng)連接機(jī)制也僅可保證微結(jié)構(gòu)之間的弱連接.因此,如何提高第二類(lèi)模型的計(jì)算效率,建立更為合理的機(jī)制以確保多類(lèi)微結(jié)構(gòu)之間的強(qiáng)連續(xù)性則是亟待解決的問(wèn)題和重要的發(fā)展方向.

3.1.1 熱?流耦合模型

開(kāi)放共享是一項(xiàng)持之以恒的工作，也是一項(xiàng)有意義的工作。未來(lái)仍需要堅(jiān)定不移地堅(jiān)持服務(wù)第一宗旨，為一流學(xué)科建設(shè)服務(wù)，為學(xué)術(shù)科研服務(wù)，為社會(huì)服務(wù)。積極開(kāi)發(fā)儀器設(shè)備功能，提高測(cè)試加工實(shí)驗(yàn)水平，改進(jìn)共享服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)科交叉滲透，促進(jìn)人才培養(yǎng)，建立更加暢通的資源共享通道，從而提升儀器設(shè)備使用率和服務(wù)范圍，提高儀器設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。圍繞大型儀器設(shè)備開(kāi)放服務(wù)，實(shí)驗(yàn)室下一步的發(fā)展規(guī)劃主要有以下幾個(gè)方面。

平衡方程

本構(gòu)關(guān)系

邊界條件

式中,σij表示應(yīng)力,Eijkl為材料彈性張量系數(shù),為彈性應(yīng)變,為塑性應(yīng)變,為熱應(yīng)變,為與相變相關(guān)應(yīng)變,ui為位移,為給定的邊界位移.相比于“熱?流”耦合模型,“熱?固”耦合模型所關(guān)注的物理問(wèn)題特征尺度較大,具有求解控制方程數(shù)量少、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn),因而適用于部件級(jí)規(guī)模問(wèn)題的模擬分析,例如模擬求解成形過(guò)程中與內(nèi)應(yīng)力演化過(guò)程相關(guān)的翹曲變形、分層開(kāi)裂等宏觀(guān)控形問(wèn)題.

該類(lèi)“熱?固”耦合模型常采用拉格朗日算法求解,并通過(guò)順序耦合算法實(shí)現(xiàn)熱分析和應(yīng)力分析的耦合.為獲得與實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)相一致的熔池形貌,該類(lèi)分析中熱源模型一般應(yīng)采用雙橢球體熱源模型.賈文鵬等(2007)采用該類(lèi)模型研究了Ti-6Al-4V 合金空心葉片激光快速成形過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),指出沿成形高度溫度和應(yīng)力/應(yīng)變呈梯度分布,基座的約束作用導(dǎo)致葉根部位等效應(yīng)力最大,是潛在的變形開(kāi)裂位置.Denliner 等(2017)開(kāi)展了PBF_LB 成形38 層IN718 材料過(guò)程中的熱力耦合大變形分析,指出新沉積層應(yīng)力狀態(tài)以拉伸為主,而位于其下方的沉積材料應(yīng)力狀態(tài)則以受壓為主,最終易致基板邊緣產(chǎn)生翹曲變形,如圖13(a)所示,并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證.為進(jìn)一步提高該類(lèi)模型的計(jì)算效率,Chen 等(2020)采用無(wú)單元伽遼金自適應(yīng)網(wǎng)格粗化方法,模擬分析了PBF_LB 增材制造Ti-6Al-4V 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布.針對(duì)DED_ARC增材制造技術(shù),Huang 等(2020)發(fā)展了該類(lèi)模型的有限元GPU(graphics processing unit)并行算法,并通過(guò)模擬ER70S-6 材料熔融成形4 層和20 層薄壁件的應(yīng)力分布進(jìn)行了驗(yàn)證,如圖13(b)所示,進(jìn)而分析了薄壁件的扭曲變形隨著層數(shù)增加的變化趨勢(shì).此外,源于焊接領(lǐng)域的固有應(yīng)變法也被用于增材制造構(gòu)件成形過(guò)程中的變形預(yù)測(cè),相比于“熱?固”耦合模型具有更高的計(jì)算效率(耿汝偉等2020).倪辰旖等(2018)提出了考慮局部熱源影響的固有應(yīng)變分析模型,模擬分析了PBF_LB 技術(shù)成形薄壁件過(guò)程中的熱應(yīng)變,獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的結(jié)果.固有應(yīng)變法針對(duì)代表體元開(kāi)展瞬態(tài)熱力耦合數(shù)值模擬,通過(guò)跨尺度的固有應(yīng)變場(chǎng)映射,建立以固有應(yīng)變載荷分層激活為主體的準(zhǔn)靜態(tài)彈塑性有限元模型,實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力和變形場(chǎng)的近似計(jì)算.該方法在宏觀(guān)尺度將傳統(tǒng)的瞬態(tài)熱力耦合有限元計(jì)算轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)的彈塑性有限元計(jì)算,大幅縮減了計(jì)算時(shí)間,其預(yù)測(cè)精度也得到了諸多試驗(yàn)驗(yàn)證(Chen et al.2019).作為一種近似計(jì)算方法,固有應(yīng)變法需要熱彈塑性分析提供準(zhǔn)確的固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù).

圖13

3.1.3 熱?流?固耦合模型

金屬增材制造的“熱?流?固”耦合模型依據(jù)所關(guān)注的物理問(wèn)題層面不同可分為兩類(lèi).一類(lèi)是粉末尺度的“熱?流?固”強(qiáng)耦合模型,另一類(lèi)為基于等效連續(xù)體假設(shè)的“熱?流?固”弱耦合模型.“熱?流?固”強(qiáng)耦合模型較粉末尺度的“熱?流”耦合模型增加了對(duì)材料凝固區(qū)域內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變演化過(guò)程的建模求解,通常在同一描述框架下(即拉格朗日描述)求解粉末顆粒受熱熔化、流動(dòng)、凝固以及金屬粉末與熔池和基底材料的相互作用.由于涉及材料的特大變形、流動(dòng),該類(lèi)模型通常采用無(wú)網(wǎng)格法求解.針對(duì)PBF_LB 增材制造技術(shù),Russell 等(2018)采用二維流體動(dòng)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)法(smoothed particle hydrodynamics,SPH),模擬分析了304 不銹鋼粉末單道掃描成形過(guò)程中材料受熱熔化、自由流動(dòng)、液體飛濺等現(xiàn)象,但將處于凝固狀態(tài)的質(zhì)點(diǎn)速度強(qiáng)制為0 以簡(jiǎn)化計(jì)算,等價(jià)于粉末尺度的“熱?流”耦合模型.進(jìn)一步,Dao 等(2021)發(fā)展了此類(lèi)問(wèn)題的三維SPH 法并將處于凝固狀態(tài)的質(zhì)點(diǎn)處理為剛體,模擬分析了PBF 和DED 兩種增材制造技術(shù)下熔池演化及其與周邊粉末的相互作用過(guò)程,如圖14(a)所示.該工作雖較Russell 等(2018)有所改進(jìn),但并未求解處于凝固狀態(tài)材料的內(nèi)應(yīng)力演化問(wèn)題.Wessels 等(2019)建立了針對(duì)PBF_LB 增材制造技術(shù)的最優(yōu)輸運(yùn)無(wú)網(wǎng)格法(optimal transportation meshfree,OTM),考慮了凝固材料的內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題,并采用射線(xiàn)追蹤熱源模型,模擬分析了若干個(gè)粉末顆粒受熱熔化凝固的過(guò)程,但為了避免處理不可壓?jiǎn)栴}帶來(lái)的算法復(fù)雜性而將金屬液體處理為可壓流體.上述工作初步展現(xiàn)了無(wú)網(wǎng)格法求解PBF 增材制造過(guò)程中“熱?流?固”強(qiáng)耦合問(wèn)題的潛在優(yōu)勢(shì).進(jìn)一步,Wang H 等(2020)則將OTM 和基于變分的熱力耦合本構(gòu)關(guān)系相結(jié)合以模擬DED_LB 增材制造過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了“熱?流?固”強(qiáng)耦合模擬,如圖14(b)所示.該工作雖然在表面張力、反沖壓力等熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算方面仍需進(jìn)一步發(fā)展,但初步展示了無(wú)網(wǎng)格法模擬粉末沖擊熔池問(wèn)題的潛在優(yōu)勢(shì).受限于離散規(guī)模大和無(wú)網(wǎng)格法本身的計(jì)算效率低等問(wèn)題,此類(lèi)強(qiáng)耦合模型主要用于增材制造過(guò)程熔池動(dòng)力學(xué)和微觀(guān)缺陷機(jī)理分析,目前仍難以應(yīng)用于大規(guī)模問(wèn)題的模擬分析.

3.動(dòng)物標(biāo)識(shí)溯源系統(tǒng)建設(shè)是一項(xiàng)全新的長(zhǎng)期工作，也是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，涉及到多個(gè)部門(mén)，需要不斷加強(qiáng)科研攻關(guān)，加大投入，加強(qiáng)宣傳。這項(xiàng)工作同時(shí)也是我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化工作的重要內(nèi)容，涉及老百姓餐桌安全，事關(guān)“三農(nóng)”工作和社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)大局。

合作學(xué)習(xí)需要對(duì)每個(gè)成員進(jìn)行角色的合理定位，保證各盡其長(zhǎng)，各展其才，使每個(gè)學(xué)生發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，提高團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的效果。對(duì)于一些善于組織和交流能力較強(qiáng)的學(xué)生可以作為合作小組的組長(zhǎng)，進(jìn)行學(xué)習(xí)工作的落實(shí)。對(duì)于一些善于研究的學(xué)生，可以作為學(xué)習(xí)內(nèi)容拓展方面的負(fù)責(zé)人。一些學(xué)習(xí)成績(jī)較差的同學(xué)，可以做一些基礎(chǔ)性的工作。但是要明確，合作小組中的每個(gè)成員都是平等的，只是分工不同而已，必須要消除歧視，避免影響學(xué)生的身心健康。

圖14

相比于第一類(lèi)“熱?流?固”強(qiáng)耦合模型,第二類(lèi)耦合模型通?；陧樞蝰詈纤惴伞盁?流”耦合模型與熱彈塑性計(jì)算模型,旨在為凝固材料內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變分析提供較“熱?固”耦合模型精度更高的溫度場(chǎng)結(jié)果.基于該模型,Beghini 等(2021)采用有限元法和水平集法(用于捕捉熔池液體自由表面)模擬分析了DED_LB 增材制造304L 不銹鋼材料成形過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變分布.此類(lèi)“熱?流?固”耦合模型的計(jì)算量較“熱?固”耦合模型大,但其殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果精度高于后者,因此可與固有應(yīng)變法相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件成形過(guò)程中的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)變分析,從而輔助優(yōu)化控形工藝參數(shù).

3.2 凝固微觀(guān)組織數(shù)值模擬

材料的宏觀(guān)力學(xué)性能與其微觀(guān)組織相關(guān),因此金屬增材制造凝固微觀(guān)組織數(shù)值模擬是預(yù)測(cè)成形材料與構(gòu)件力學(xué)性能的關(guān)鍵和前提.由于逐道搭接逐層疊加的工藝特性和固有的高溫度梯度高冷卻速率特征,金屬增材制造中材料凝固將經(jīng)歷反復(fù)的多個(gè)微觀(guān)組織演化過(guò)程,包括糊狀區(qū)內(nèi)的凝固初始相、熱影響區(qū)的晶粒粗化、以及持續(xù)冷卻過(guò)程中的固態(tài)相變等,并呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的工藝參數(shù)依賴(lài)性和空間分布非均勻性.目前,微觀(guān)組織預(yù)測(cè)常用的數(shù)值模型主要有兩類(lèi),枝晶尺度模型和晶粒尺度模型(陳嘉偉等2020,Tan et al.2020).為獲得溫度場(chǎng)信息,此類(lèi)模型需與3.1節(jié)所介紹的傳熱傳質(zhì)模型相耦合求解.考慮到計(jì)算效率問(wèn)題,通常采用順序耦合算法,即將傳熱傳質(zhì)模型的計(jì)算結(jié)果作為微觀(guān)組織數(shù)值模擬算法的輸入,從而預(yù)測(cè)材料熔化過(guò)程中微觀(guān)組織重熔以及凝固過(guò)程中的晶粒形核與生長(zhǎng).下面依次論述在金屬增材制造材料凝固微觀(guān)組織預(yù)測(cè)中兩類(lèi)模型的現(xiàn)有研究工作.

3.2.1 枝晶尺度模型

微觀(guān)組織枝晶尺度模型可以解析枝晶的具體形貌,常采用相場(chǎng)(phase field,PF)模型(耿汝偉等2018).相場(chǎng)模型是一種彌散界面模型,可定量求解金屬液體中固/液界面的形態(tài)、曲率以及界面的移動(dòng),因此不僅可以求解枝晶形貌、晶粒粗化、固態(tài)相變,還可以求解溶質(zhì)偏析、枝晶間區(qū)域的沉淀相等微觀(guān)組織演化過(guò)程(Korner et al.2020).相場(chǎng)模型以金茲堡?朗道(Ginzbug-Landau)相變理論為基礎(chǔ),采用相場(chǎng)變量Φ來(lái)描述材料狀態(tài)(Φ=1 時(shí),表示固相;Φ=0 時(shí),表示液相;Φ取0 和1 中間值時(shí),表示固液界面).對(duì)于兩相問(wèn)題,相場(chǎng)模型的控制方程如下

式中,MΦ是與界面遷移率,F是系統(tǒng)自由能函數(shù),C是溶質(zhì)濃度,MC是溶質(zhì)原子擴(kuò)散率.對(duì)于多相問(wèn)題,可以取多個(gè)Φi變量,并且滿(mǎn)足如下關(guān)系

由于離散規(guī)模大、計(jì)算效率低,相場(chǎng)模型常用于二維問(wèn)題或三維問(wèn)題中有限個(gè)數(shù)枝晶形貌模擬求解.針對(duì)DED_LB 增材制造技術(shù),Fallah 等(2012)采用二維PF 模型,模擬了熔池縱截面不同位置處Ti-Nb 二元合金凝固枝晶形貌,表明一次枝晶間距空間分布隨著熔池高度先變小然后變大,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)相一致.其中,溫度場(chǎng)信息由基于等效連續(xù)體假設(shè)的三維熱傳導(dǎo)模型提供.針對(duì)PBF_EB 增材制造Ti-6Al-4V 合金,Gong 等(2015)將其近似處理為二元合金,采用二維PF 模型分析了柱狀枝晶形貌,如圖15(a)所示,并研究了枝晶生長(zhǎng)速度與冷卻速率的關(guān)系.與Fallah 等(2012)和Gong 等(2015)的工作不同,Chu 等(2020)采用二維多相PF 模型并結(jié)合Gauss 分布形核模型,研究了PBF_EB 增材制造Ti-6Al-4V 合金凝固過(guò)程中柱狀枝晶和等軸枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程,并模擬再現(xiàn)了柱狀枝晶的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象,如圖15(b)所示.近期,Park 等(2020)采用三維多相PF 模型計(jì)算分析了PBF_L 增材制造AlSi10Mg 合金的凝固過(guò)程,研究了有限個(gè)數(shù)外延式生長(zhǎng)枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程,如圖15(c)所示,并指出在晶體邊界的Si 元素富集會(huì)致使胞狀枝晶細(xì)化.受限于計(jì)算效率低,PF 模型難以模擬熔池內(nèi)多晶組織的演化過(guò)程.此外,PF 模型在金屬增材制造中晶粒粗化、固態(tài)相變等方面的應(yīng)用目前也鮮有報(bào)道.

圖15

3.2.2 晶體尺度模型

相比于枝晶尺度模型,微觀(guān)組織晶體尺度模型僅求解晶粒輪廓的生長(zhǎng)過(guò)程,不解析枝晶形貌細(xì)節(jié),具有計(jì)算規(guī)模小、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn).目前,晶體尺度模型主要包括降階的PF 模型、元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automaton,CA)方法和蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)方法.

能量守恒方程

元胞自動(dòng)機(jī)方法是目前金屬增材制造中材料微觀(guān)組織三維問(wèn)題數(shù)值模擬最為常用的方法.該方法由Rappaz 等(1993)和Gandin 等(1997)提出,起初用于鑄造過(guò)程中合金材料微觀(guān)組織模擬.與降階PF 模型不同,CA 基于一定的物理規(guī)則和晶體生長(zhǎng)理論求解晶粒輪廓的生長(zhǎng)過(guò)程,不涉及偏微分方程組求解,具有較高的計(jì)算效率.CA 方法采用規(guī)則的網(wǎng)格離散材料區(qū)域,用符合Gauss 分布的形核模型隨機(jī)選擇潛在形核點(diǎn)并確定形核條件(臨界過(guò)冷度),基于隨機(jī)算法確定新生晶核的晶向(用歐拉角表示),用晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)理論確定新生晶核的生長(zhǎng)速度.對(duì)于立方晶系,CA 方法假設(shè)新生晶核輪廓包絡(luò)為正八面體.該八面體的對(duì)角線(xiàn)對(duì)應(yīng)晶體〈100〉方向,代表著晶粒的最優(yōu)生長(zhǎng)方向,相應(yīng)六個(gè)方向的枝晶尖端生長(zhǎng)速度為所在單元過(guò)冷度的函數(shù),計(jì)算如下

式中,?T為過(guò)冷度,ζ1,ζ2,ζ3為生長(zhǎng)系數(shù),可通過(guò)擬合枝晶極端生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型(如Kurz-Giovanola-Trivedi 模型,Kurz et al.1981)結(jié)果或PF 模型計(jì)算結(jié)果確定.因?yàn)榫w采用其所捕獲單元的過(guò)冷度計(jì)算其局部生長(zhǎng)速度,所以CA 方法可以體現(xiàn)非均勻溫度場(chǎng)對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程的影響,如競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和織構(gòu)的形成等.

針對(duì)不同的金屬增材制造工藝,廉艷平等(Lian et al.2018,2019;Xiong et al.2021)建立了CA 方法與不同“熱?流”耦合模型的耦合算法.針對(duì)金屬增材制造中常見(jiàn)的晶體外延式生長(zhǎng)現(xiàn)象,Lian 等(2019)發(fā)展了相應(yīng)的外延式生長(zhǎng)成核模型,并考慮了材料的初始微觀(guān)組織,解決了堆積成形中層間晶粒重熔和再生長(zhǎng)過(guò)程的數(shù)值模擬問(wèn)題.針對(duì)DED_LB 增材制造技術(shù),Lian等(2019)將該算法與基于等效連續(xù)體假設(shè)的熱流耦合模型相耦合,分析了IN718 合金微觀(guān)組織與工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、掃描策略)的關(guān)聯(lián).計(jì)算結(jié)果表明,由于熔池底部的溫度梯度相對(duì)較大而凝固速率相對(duì)較小,熔池底部微觀(guān)組織以外延式生長(zhǎng)的柱狀晶為主,而熔池頂部則以域內(nèi)形核的等軸晶為主;由于晶體生長(zhǎng)方向很大程度上取決于熱流方向,因此所獲得柱狀晶的主軸方向傾向于激光掃描方向.對(duì)于多層堆積工況,數(shù)值模擬結(jié)果揭示了柱狀晶與等軸晶交替出現(xiàn)的層狀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,如圖16(a)所示.近期,Xiong 等(2021)將CA 方法與基于粉末尺度的“熱?流”耦合模型相耦合,模擬了PBF_EB 多層多道掃描Ti-6Al-4V 合金中凝固初始相演化過(guò)程,如圖16(b)所示.數(shù)值模擬結(jié)果重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到的部分熔化金屬粉末中晶粒再生長(zhǎng)、貫穿層間的柱狀晶等現(xiàn)象,揭示了搭接區(qū)內(nèi)溫度梯度分布轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致的獨(dú)特晶體形貌,如V 形或者月牙狀,闡述了搭接區(qū)內(nèi)復(fù)雜微觀(guān)組織的形成機(jī)理;對(duì)于層間不同掃描策略下形成的材料微觀(guān)組織,計(jì)算結(jié)果表明,單向掃描方式會(huì)增強(qiáng)其織構(gòu),而旋轉(zhuǎn)一定角度的掃描方式則可以弱化織構(gòu)并會(huì)阻斷層間貫穿式柱狀晶的形成.上述工作表明,CA 方法可預(yù)測(cè)熔池內(nèi)凝固晶體的形貌、尺寸、空間分布和晶向信息,有助于深入理解金屬增材制造中微觀(guān)組織演化過(guò)程,從而輔助工藝參數(shù)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能的調(diào)控.然而,現(xiàn)有CA 方法不能求解材料成形過(guò)程中熱影響區(qū)內(nèi)晶粒粗化以及后續(xù)冷卻過(guò)程中(如Ti-6Al-4V 合金)固態(tài)相變問(wèn)題,無(wú)法精確獲得最終的材料微觀(guān)組織.

圖16

蒙特卡洛方法是另一種晶粒尺度算法,具有計(jì)算效率高、模擬零件級(jí)尺寸規(guī)模問(wèn)題的能力.與降階PF 模型和CA 方法相比,MC 法不求解微分控制方程,不考慮晶粒最優(yōu)生長(zhǎng)方向和與過(guò)冷度相關(guān)的生長(zhǎng)速度,是一類(lèi)基于晶界自由能最小原理的純隨機(jī)算法,非常適合晶粒粗化過(guò)程的模擬求解.類(lèi)似于CA 方法,MC 法將材料域離散為規(guī)則的網(wǎng)格.其中,每個(gè)單元稱(chēng)為格子(Lattice),在初始化階段被隨機(jī)地分配晶粒標(biāo)識(shí)符;標(biāo)識(shí)符相同的格子則隸屬于同一個(gè)晶粒.系統(tǒng)的總晶界自由能計(jì)算如下

式中,N為總格子數(shù),L為每個(gè)格子的鄰居單元數(shù),li為格子i的晶粒標(biāo)識(shí)符;若li與lj相同,則s取1,否則取0.在每個(gè)循環(huán)步內(nèi),MC 將選擇晶界上的格子并將其晶粒標(biāo)識(shí)符隨機(jī)修改為鄰居格子的晶粒標(biāo)識(shí)符,依據(jù)下式計(jì)算的概率決定是否接受修改

式中,M0是系數(shù),Q是晶界運(yùn)動(dòng)激活能,R是氣體常數(shù),?E是修改晶粒標(biāo)識(shí)符后的系統(tǒng)自由能變化值,kB是Boltzmann 常數(shù),Ts是蒙特卡洛數(shù)值計(jì)算溫度.此外,MC 中的時(shí)間步定義為遍歷循環(huán)一遍所有網(wǎng)格,因而不具有物理時(shí)間含義.因此,MC 方法需要額外的模型將真實(shí)物理時(shí)間和MC 時(shí)間步進(jìn)行關(guān)聯(lián),從而確定式(12)中的溫度值.

兩部《兒童圖書(shū)館》著作均屬于當(dāng)時(shí)比較流行的“文庫(kù)本”或“叢書(shū)本”，篇幅短小，語(yǔ)言洗練，淺顯易懂，適合兒童及非專(zhuān)業(yè)人員閱讀，具有知識(shí)性和科普性。徐能庸《兒童圖書(shū)館》僅有40頁(yè)，讀者對(duì)象主要是小學(xué)生群體，全書(shū)通過(guò)慧兒與其父親的問(wèn)答，引出兒童圖書(shū)館相關(guān)知識(shí)的介紹。故事型的敘述題材，易激發(fā)孩子們的好奇心，學(xué)生讀者隨著慧兒的提問(wèn)逐步熟悉兒童圖書(shū)館的工作流程及內(nèi)容，進(jìn)而了解兒童圖書(shū)館的功能、借閱規(guī)則，以及選書(shū)登記、編目方法、借書(shū)手續(xù)等方面的內(nèi)容。

目前,MC 方法雖然適合微觀(guān)組織大規(guī)模問(wèn)題的模擬求解,但其應(yīng)用相對(duì)CA 方法比較有限.基于該方法,Rogers 等(2017)模擬分析了DED_LB 增材制造IN718 合金材料和PBF_EB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料凝固過(guò)程中微觀(guān)組織.其中,溫度場(chǎng)采用的是與熔池形貌相關(guān)的人為假設(shè)溫度場(chǎng),而微觀(guān)組織的預(yù)測(cè)模擬主要是在熱影響區(qū)內(nèi)完成(即晶粒粗化發(fā)生的區(qū)域);所得計(jì)算結(jié)果雖在定性上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,但在定量上(如晶粒尺寸)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大.進(jìn)一步,Wei 等(2019)采用基于等效連續(xù)體假設(shè)的熱流耦合模型提供溫度場(chǎng)信息,模擬分析了DED_LB 增材制造IN718 材料的凝固過(guò)程,所得材料微觀(guān)組織與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,并初步分析了多層掃描熱循環(huán)下晶粒粗化的過(guò)程.MC 方法雖然可以較好地描述熱影響區(qū)內(nèi)固態(tài)晶粒的粗化過(guò)程,但并不能準(zhǔn)確模擬糊狀區(qū)(介于液相線(xiàn)與固相線(xiàn)的材料)內(nèi)晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程,從而無(wú)法預(yù)測(cè)織構(gòu)和模擬與晶向相關(guān)的晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)現(xiàn)象.此外,MC 計(jì)算不涉及晶向信息,其計(jì)算結(jié)果則難以直接用于與晶向相關(guān)的材料力學(xué)性能預(yù)測(cè).近期,Rogers 等(2021)借鑒CA 的晶粒生長(zhǎng)速度計(jì)算模型,對(duì)MC 方法進(jìn)行改進(jìn)以模擬糊狀區(qū)內(nèi)微觀(guān)組織的演化過(guò)程,并結(jié)合原有MC 求解熱影響區(qū)內(nèi)固化晶粒的粗化過(guò)程,分析了PBF_LB 增材制造316L 不銹鋼材料的微觀(guān)組織演化過(guò)程.然而,改進(jìn)的MC 算法在描述糊狀區(qū)內(nèi)凝固微觀(guān)組織的晶向和競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)等方面仍不如CA 方法準(zhǔn)確.因此,如何將CA 與MC 方法進(jìn)行耦合并分別用于糊狀區(qū)內(nèi)微觀(guān)組織演化和熱影響區(qū)晶粒粗化模擬求解,同時(shí)在MC 中考慮與晶向相關(guān)的粗化模型,則是解決凝固初始相和晶粒粗化過(guò)程相繼模擬的一個(gè)重要研究方向.

3.3 過(guò)程?組織?性能一體化數(shù)值模擬

金屬增材制造“過(guò)程?組織?性能”一體化數(shù)值模擬是指將傳熱傳質(zhì)過(guò)程模擬、凝固微觀(guān)組織模擬和材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型相集成的耦合模擬分析.該集成耦合模型可以研究增材制造的工藝參數(shù)、掃描策略等對(duì)冶金缺陷、材料復(fù)雜微觀(guān)組織的影響,以及由此決定的成形材料與構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能等,是揭示金屬增材制造“過(guò)程?組織?性能”內(nèi)稟關(guān)系和優(yōu)化工藝參數(shù)以實(shí)現(xiàn)控形保性的關(guān)鍵所在.

在“過(guò)程?組織?性能”耦合模擬中,將獲得的三維材料微觀(guān)組織數(shù)值模擬結(jié)果與晶體塑性(crystal plasticity,CP)模型相結(jié)合是預(yù)測(cè)材料力學(xué)性能的主要方法.由晶體塑性理論可知,單晶的塑性響應(yīng)主要由晶體缺陷的運(yùn)動(dòng)所控制,如位錯(cuò)(莊茁等2020).一般來(lái)講,塑性變形可由所有激活滑移系統(tǒng)的剪切滑移率來(lái)確定,如速度梯度的塑性部分可表示為

對(duì)一個(gè)人而言，對(duì)國(guó)家的認(rèn)同關(guān)系到個(gè)人的心靈歸宿與肉體歸宿，個(gè)人在認(rèn)同國(guó)家的同時(shí)也享受著這個(gè)身份帶來(lái)的歸屬感與安全感，因此無(wú)論對(duì)于任何人而言，國(guó)家層面的身份認(rèn)同與心理認(rèn)同對(duì)于個(gè)人生存、成長(zhǎng)都是十分重要的，也是個(gè)體社會(huì)政治化的重要內(nèi)容。

其中,Nslip為滑移系個(gè)數(shù)(與晶系類(lèi)型和具體晶向有關(guān)),上角標(biāo)α為滑移系,分別為滑移方向和滑移面法線(xiàn),γ˙(α)是滑移系α的剪切滑移率并由相應(yīng)的模型(如冪指數(shù)唯象模型等)確定.除此之外,晶體塑性模型還包括彈性本構(gòu)方程、應(yīng)變硬化方程,通過(guò)結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算方法(如自洽均勻化方法、有限元法、快速傅里葉變化方法等)則可預(yù)測(cè)多晶材料代表體元的宏觀(guān)力學(xué)響應(yīng).

目前,金屬增材制造“過(guò)程?組織?性能”一體化數(shù)值模擬的研究仍處于初步階段,其難點(diǎn)在于多個(gè)數(shù)值模型和算法的集成耦合.考慮到晶體塑性模型中滑移系與具體的晶向有關(guān),該耦合模擬中所采用的微觀(guān)組織模型須給出晶粒的晶向信息,因此一般采用PF 和CA 算法.基于順序耦合方式,Yan 等(2018a)建立了PBF 增材制造技術(shù)的“過(guò)程?組織?性能”多尺度多物理場(chǎng)數(shù)值模擬方法,如圖17所示.其中,采用粉末尺度的“熱?流”耦合模型模擬粉床受熱熔化、凝固過(guò)程,用元胞自動(dòng)機(jī)法模擬材料凝固微觀(guān)組織,用全場(chǎng)晶體塑性自洽聚類(lèi)分析方法(CP-self consistent analysis,CP-SCA)預(yù)測(cè)材料力學(xué)性能.針對(duì)PBF_EB 增材制造的Ti-6Al-4V 材料,Yan 等(2018)采用該集成耦合模型,分析了多道多層掃描中與工藝參數(shù)相關(guān)的未熔合現(xiàn)象所導(dǎo)致的孔隙,預(yù)測(cè)了熔覆層不同位置處材料微觀(guān)組織和孔隙缺陷所決定的材料靜態(tài)力學(xué)性能,進(jìn)一步結(jié)合Fatemi-Socie 模型定性研究了多晶組織和孔隙缺陷對(duì)材料疲勞性能的影響.該工作雖然初步分析了不同工藝參數(shù)對(duì)微觀(guān)組織、缺陷和材料力學(xué)性能的影響,但展示了其在金屬增材制造“過(guò)程?組織?性能”關(guān)系研究方面的潛力.與Yan 等(2018a)工作所采用的模型和算法不同,Liu P W 等(2020)耦合基于連續(xù)體假設(shè)的溫度場(chǎng)有限元模型、降階PF 模型、晶體塑性快速傅里葉變換方法(CP fast Fourier transform,CPFFT),發(fā)展了PBF_EB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料的“過(guò)程?組織?性能”一體化數(shù)值模擬方法.其中,Liu P W 等(2020)在降階PF 方法獲得的初始β 相微觀(guān)組織基礎(chǔ)上,通過(guò)Burgers 晶向關(guān)系獲得了基于一定假設(shè)的Ti-6Al-4V 合金材料α/β 兩相組織,所采用的CPFFT 也是一種全場(chǎng)晶體塑性計(jì)算方法,可以直接求解晶粒內(nèi)部、晶粒之間的介觀(guān)力學(xué)交互作用;計(jì)算結(jié)果表明,高電子束功率和低掃描速度易導(dǎo)致粗柱狀β 相,從而材料易在晶界處萌生裂紋.為獲得Ti-6Al-4V 材料的α 相組織,Ozturk 和Rollett(2018)首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得Ti-6Al-4V 微觀(guān)組織的統(tǒng)計(jì)特征,然后采用開(kāi)源軟件DREAM3D 生成了指定的微觀(guān)組織代表體元.基于所生成的Ti-6Al-4V 雙相微觀(guān)組織,Ozturk 和Rollett(2018)采用彈黏塑性CPFFT 預(yù)測(cè)了不同微觀(guān)組織形貌、織構(gòu)、晶粒尺寸對(duì)成形材料的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度的影響;數(shù)值模擬結(jié)果表明,晶粒尺寸對(duì)其拉伸強(qiáng)度的影響程度與材料微觀(guān)組織的織構(gòu)強(qiáng)度有關(guān),即對(duì)于弱織構(gòu)微觀(guān)組織,材料的拉伸強(qiáng)度并不隨晶粒變小而顯著增強(qiáng).此外,Ge 等(2019)將MC 方法用于“過(guò)程?組織?性能”一體化計(jì)算分析中,并結(jié)合自洽均場(chǎng)模型研究了DED_LB 增材制造鈦合金的力學(xué)性能.

圖17

在其他增材制造合金材料方面,Herriott 等(2019)和Ahmadi 等(2016)分別開(kāi)展了不同增材制造技術(shù)下316L 不銹鋼材料的過(guò)程?組織?性能一體化數(shù)值模擬.針對(duì)DED_LB 增材制造技術(shù),Herriott 等(2019)采用基于等效連續(xù)體假設(shè)的熱分析模型獲得多層多道工況下的溫度場(chǎng)結(jié)果,通過(guò)順序耦合算法將溫度場(chǎng)信息導(dǎo)入CA 算法獲得成形材料的微觀(guān)組織,最終通過(guò)彈黏塑性CPFFT 獲得不同微觀(guān)組織代表體元的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn).采用該耦合框架,Herriott 等(2019)分析了DED_LB 增材制造316L 不銹鋼材料的力性能空間分布圖以及與工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián),并指出由于微觀(guān)組織空間分布不均勻性,等效屈服強(qiáng)度沿建造方向(build direction)、掃描方向(scan direction)和垂直于前兩者的方向取值不同,呈現(xiàn)各向異性.與Herriott 等(2019)工作不同,Ahmadi等(2016)為簡(jiǎn)化“過(guò)程?組織”計(jì)算,采用與工藝參數(shù)相關(guān)的熔池形貌和尺寸假設(shè)以虛構(gòu)材料沉積區(qū)域,通過(guò)Voronoi Tessellation 方法形成熔池內(nèi)的有限個(gè)數(shù)晶體,進(jìn)而結(jié)合晶體塑性有限元法預(yù)測(cè)了不同工藝參數(shù)下PBF_LB 增材制造316L 不銹鋼微觀(guān)組織所決定的材料力學(xué)性能,同時(shí)通過(guò)內(nèi)聚力模型分析了相鄰熔池弱冶金結(jié)合界面處開(kāi)裂問(wèn)題.然而,相比于Herriott 等(2019)工作,Ahmadi 等(2016)雖然極大提高了計(jì)算效率,但由于模型過(guò)于簡(jiǎn)化而在計(jì)算精度上不如前者.

(2)礦區(qū)鉛鋅銻礦化帶產(chǎn)于NNW向張扭性斷裂構(gòu)造剪切帶內(nèi)，呈帶狀沿?cái)嗔褞Х植肌嗔哑扑閹艽罅棵芗植嫉?、互相平行或斜交的張扭性、扭性?jié)理裂隙構(gòu)造控制。

3.4 小結(jié)

本節(jié)針對(duì)金屬增材制造的“過(guò)程?組織?性能”核心問(wèn)題,重點(diǎn)圍繞傳熱傳質(zhì)過(guò)程、凝固微觀(guān)組織以及力學(xué)性能預(yù)測(cè)三個(gè)方面梳理了當(dāng)前的數(shù)值模擬研究工作.

針對(duì)傳熱傳質(zhì)過(guò)程數(shù)值模擬,目前所采用的數(shù)值模型可分為三類(lèi).第一類(lèi)是“熱?流”耦合模型,采用歐拉描述的控制方程,具體包括粉末尺度的高保真模型和基于等效連續(xù)體假設(shè)的模型,分別面向粉末尺度相關(guān)的制造缺陷機(jī)理研究以及熔池形貌尺寸和考慮對(duì)流傳熱機(jī)制的溫度場(chǎng)分析問(wèn)題,主要采用有限體積法.第二類(lèi)是“熱?固”耦合模型,忽略熔池內(nèi)的流動(dòng)問(wèn)題,采用拉格朗日描述的控制方程,面向部件尺度的傳熱和內(nèi)應(yīng)力演化分析以求解翹曲變形、分層開(kāi)裂等控形問(wèn)題,主要采用有限元法.第三類(lèi)是“熱?流?固”耦合模型,在“熱?流”和“熱?固”耦合模型的基礎(chǔ)上分別添加求解固體材料區(qū)域內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變和熔池內(nèi)熔融金屬流動(dòng)的數(shù)值模型.前者可模擬分析粉末顆粒受熱熔化、流動(dòng)和凝固過(guò)程,并同時(shí)可考慮內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變以及熔池與周邊粉末顆粒的相互作用問(wèn)題,主要采用無(wú)網(wǎng)格法;后者則可獲得較“熱?固”耦合模型精度更高的殘余應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果.這三類(lèi)模型中,“熱?流?固”強(qiáng)耦合模型計(jì)算精度最高,所考慮的物理問(wèn)題也最全面,但具有計(jì)算效率低、求解問(wèn)題規(guī)模小等缺點(diǎn).因此,“熱?流?固”強(qiáng)耦合問(wèn)題的高效求解是金屬增材制造傳熱傳質(zhì)過(guò)程高保真計(jì)算模擬分析的一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題.無(wú)網(wǎng)格法具有在同一描述框架內(nèi)統(tǒng)一求解熱?流?固耦合問(wèn)題的能力,但在求解小變形和凝固材料區(qū)域傳熱問(wèn)題的效率不如有限元法.因此,如何建立無(wú)網(wǎng)格法和有限元法的耦合算法以發(fā)揮無(wú)網(wǎng)格法處理材料大變形流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)和有限元法高效求解材料有限變形和傳熱的優(yōu)勢(shì),并進(jìn)一步開(kāi)展此類(lèi)耦合算法的并行算法,則是傳熱傳質(zhì)過(guò)程數(shù)值模擬和制造缺陷機(jī)理數(shù)值模擬研究的一個(gè)重要的研究方向.針對(duì)宏觀(guān)尺度的“熱?固”耦合模型,如何基于“熱?流?固”強(qiáng)耦合模型建立高精度跨尺度模型,并發(fā)展相應(yīng)的高精度固有應(yīng)變法,則有望實(shí)現(xiàn)零件成形過(guò)程的高效預(yù)測(cè)模擬,因此也是一個(gè)重要的發(fā)展方向.

針對(duì)金屬增材制造材料凝固微觀(guān)組織數(shù)值模擬,目前的研究工作可分為兩類(lèi).第一類(lèi)是枝晶尺度的數(shù)值模擬,關(guān)注枝晶的具體形貌,一般采用相場(chǎng)方法.但是,此類(lèi)模型由于計(jì)算量大而局限于二維問(wèn)題或者有限個(gè)數(shù)三維枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程模擬.第二類(lèi)是晶體尺度的數(shù)值模擬,主要關(guān)注晶粒形貌、尺寸、晶向分布等,常采用的方法包括降階相場(chǎng)法,元胞自動(dòng)機(jī)法和蒙特卡洛法,可用于金屬增材制造中微觀(guān)組織三維問(wèn)題的計(jì)算模擬分析.其中,蒙特卡洛法是一種隨機(jī)算法,計(jì)算效率最高,主要用于熱影響區(qū)晶粒粗化過(guò)程的模擬求解,在糊狀區(qū)內(nèi)晶粒形核和生長(zhǎng)過(guò)程模擬方面計(jì)算精度不如元胞自動(dòng)機(jī)法;降階相場(chǎng)法計(jì)算效率最低、精度最高,但由于涉及的數(shù)值計(jì)算參數(shù)較多、考慮的可選晶向范圍有限,致使參數(shù)標(biāo)定比較困難、晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和織構(gòu)預(yù)測(cè)精度不如元胞自動(dòng)機(jī)法;元胞自動(dòng)機(jī)法兼顧了隨機(jī)算法的高效性和必要的晶粒生長(zhǎng)物理機(jī)理,是目前金屬增材制造中材料凝固微觀(guān)組織模擬的主要方法,但在晶粒粗化和固態(tài)相變等問(wèn)題的求解方面存在不足.目前,現(xiàn)有各種微觀(guān)組織數(shù)值模型和算法因所采用的假設(shè)和理論不同而具有不同的適用范圍.因此,如何建立可模擬求解材料微觀(guān)組織多個(gè)持續(xù)演化過(guò)程(如凝固初始相、晶粒粗化、固態(tài)相變等)的高效算法是亟待解決的問(wèn)題.為此,在CA 算法框架下,基于PF 預(yù)測(cè)的晶體生長(zhǎng)機(jī)理和MC 的思想,發(fā)展適用于晶粒粗化、固態(tài)相變的新型CA 算法,則是金屬增材制造微觀(guān)組織數(shù)值模擬的一個(gè)重要發(fā)展方向.

在“過(guò)程?組織?性能”一體化耦合模擬方面,相關(guān)研究工作目前比較有限,主要是將晶體塑性模型與不同的傳熱傳質(zhì)模型、微觀(guān)組織預(yù)測(cè)模擬相集成,通過(guò)三個(gè)模型間的數(shù)據(jù)單向傳遞,實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)與成形材料力學(xué)性能的關(guān)聯(lián).現(xiàn)有耦合模擬算法雖可定性揭示控形保性機(jī)理,但在具體指導(dǎo)實(shí)際工藝參數(shù)優(yōu)化方面仍在計(jì)算精度和計(jì)算效率上面臨著諸多挑戰(zhàn).在計(jì)算精度方面,當(dāng)前 “過(guò)程?組織?性能”一體化數(shù)值模擬方法僅局限于單向耦合,在雙向強(qiáng)耦合方面仍有許多工作亟待開(kāi)展,例如,如何將微觀(guān)組織預(yù)測(cè)與“熱?流?固”耦合模型進(jìn)行強(qiáng)耦合以研究與相變相關(guān)的殘余應(yīng)力以及制造缺陷(如熱致微裂紋)是亟待解決的重要問(wèn)題.此外,目前的力學(xué)性能預(yù)測(cè)僅局限于材料的靜態(tài)力學(xué)性能,如何基于材料微觀(guān)組織和制造缺陷模擬預(yù)測(cè)成形材料在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)則是一個(gè)亟待解決的新問(wèn)題.針對(duì)計(jì)算效率問(wèn)題,一方面可以通過(guò)耦合高效的傳熱傳質(zhì)過(guò)程數(shù)值模型、微觀(guān)組織數(shù)值模型和力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型,從而提高該一體化數(shù)值模擬算法的計(jì)算效率;另一方面,金屬增材制造問(wèn)題具有高維、強(qiáng)非線(xiàn)性、大數(shù)據(jù)特性,天然適合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、人工智能等新計(jì)算范式的應(yīng)用,因此結(jié)合上述高精度耦合模擬算法發(fā)展基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的金屬增材制造數(shù)值模擬新范式,以建立高效高精度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型,是一個(gè)重要的研究方向.

4 金屬增材制造材料與構(gòu)件缺陷表征與性能評(píng)價(jià)

目前,金屬增材制造成形材料與構(gòu)件的缺陷表征與性能評(píng)價(jià)屬于學(xué)術(shù)與工程前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向,是其走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán).受限于粉/絲材質(zhì)量和具體成形工藝,金屬增材制造的材料與構(gòu)件不可避免的存有不同種類(lèi)、不同程度、空間分布隨機(jī)、幾何形貌復(fù)雜的冶金缺陷.這些缺陷對(duì)成形材料與構(gòu)件的力學(xué)性能和服役可靠性有著重要的影響.本節(jié)主要圍繞缺陷類(lèi)型及表征、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料疲勞性能和抗沖擊性能評(píng)價(jià)四個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有的工作依次進(jìn)行論述.

4.1 缺陷類(lèi)型及表征

金屬增材制造成形材料與構(gòu)件的缺陷大體分兩類(lèi):內(nèi)部缺陷和表面缺陷.其中內(nèi)部缺陷如孔隙、融合不良、未熔化顆粒、微裂紋和夾雜等.其中,孔隙是金屬增材制造中最常見(jiàn)的缺陷,其來(lái)源有兩種:一種是原始粉末材料含有一定的氣體;另一種是粉末送入過(guò)程中吸附或卷入的惰性保護(hù)氣體,此類(lèi)缺陷形狀較規(guī)則.熔合不良缺陷常見(jiàn)于PBF 增材制造技術(shù),形狀扁平、類(lèi)似邊緣尖銳的裂紋并且不規(guī)則,與熔覆層平行.微裂紋缺陷是材料快速熔化凝固過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限時(shí)而產(chǎn)生.夾雜缺陷則是材料內(nèi)存在的異種元素或金屬化合物等,呈顆粒狀或塊狀.

增材制造材料表面缺陷主要包含截面厚度偏差、軸線(xiàn)偏差與過(guò)尺寸等.表面缺陷主要由于增材制造過(guò)程中部分粉末顆粒未完全融化而黏附在桿件表面導(dǎo)致的桿件表面粗糙度增大,這類(lèi)缺陷的存在影響增材制造構(gòu)件局部應(yīng)力分布并引發(fā)桿件的提前斷裂.以PBF_LB 增材制造技術(shù)為例,金屬粉末熔化并迅速冷卻的過(guò)程中易出現(xiàn)粉末黏附、粉末飛濺、節(jié)點(diǎn)聚集等不可避免的問(wèn)題,最終導(dǎo)致成形構(gòu)件中出現(xiàn)表面幾何缺陷、幾何尺寸與設(shè)計(jì)模型誤差較大(Ozdemir et al.2016).這 些缺陷雖可以通過(guò)后期處理進(jìn)行消除或減弱 (Formanoir et al.2016,Moustafa et al.2018,Chen et al.2020),但嚴(yán)重影響材料的宏觀(guān)力學(xué)行為及增材制造構(gòu)件的服役壽命和安全性(Dai et al.2016,Chen et al.2018).金屬增材制造成形構(gòu)件除了包含與材料類(lèi)似的缺陷,還包括桿件缺失等結(jié)構(gòu)缺陷.以金屬增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例,根據(jù)缺陷分布位置和形態(tài),缺陷主要分為內(nèi)部孔隙缺陷、表面顆粒黏附缺陷、點(diǎn)陣桿件缺失或不規(guī)則、點(diǎn)陣桿件截面尺寸差異等(田小永等2016,Lhuissier et al.2020),如圖18所示.對(duì)點(diǎn)陣桿件內(nèi)部孔隙、裂紋萌生和擴(kuò)展、缺陷之間交互作用的表征,是厘清金屬增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)失效機(jī)理的基礎(chǔ).

圖18

金屬增材制造缺陷的實(shí)驗(yàn)表征主要包括表面缺陷表征方法和內(nèi)部缺陷表征方法兩類(lèi).常用的表面缺陷表征方法包括光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、光學(xué)掃描儀等方法(Sing et al.2016,Calignano 2018,Yan et al.2019).Sing 等(2016)采用SEM 和電子背散射衍射研究了增材制造成形的TiTa、Ti-6Al-4V 及純Ti 等材料表面的幾何缺陷與斷口形貌,分析了表面幾何缺陷對(duì)其力學(xué)性能的影響.Yan 等(2019)采用X 射線(xiàn)衍射、SEM 與TEM 研究了增材制造材料納米尺度的缺陷,定量化表征了材料的相對(duì)密度.高分辨率的光學(xué)掃描儀與激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)增材制造材料與簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)表面缺陷、三維曲面的掃查重構(gòu)(Calignano et al.2018),但是在增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)這種具有復(fù)雜構(gòu)型的三維結(jié)構(gòu)表征方面存在局限性.表面的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法只能獲得增材制造金屬材料表面變形場(chǎng)、表面微結(jié)構(gòu)演化等信息,難以真實(shí)反映材料內(nèi)部孔洞貫穿、裂紋形核、損傷演化等微觀(guān)機(jī)理及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)這類(lèi)復(fù)雜構(gòu)件表面和內(nèi)部桿件的幾何特征.受到不同打印方向和不穩(wěn)定的成形工藝的影響,金屬增材制造點(diǎn)陣桿件截面尺寸也會(huì)發(fā)生普遍的尺寸偏差.由于粉末粒徑分布和工藝參數(shù)設(shè)置,點(diǎn)陣桿件沿軸向的截面尺寸和設(shè)計(jì)尺寸相比存在明顯偏差,導(dǎo)致增材制造點(diǎn)陣樣件實(shí)驗(yàn)性能與設(shè)計(jì)性能差別較大,無(wú)法滿(mǎn)足工程需求.桿件表面缺陷處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致桿件發(fā)生提前斷裂失效,改變?cè)械慕Y(jié)構(gòu)變形模式,對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能影響較為嚴(yán)重(Olakanmi et al.2015,Lozanovski et al.2020a).因此,對(duì)于增材制造材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的大量幾何形貌復(fù)雜的宏微觀(guān)缺陷,亟需發(fā)展兼顧表面與內(nèi)部缺陷的三維檢測(cè)表征方法.

金屬增材制造成形材料與構(gòu)件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方式包括射線(xiàn)檢測(cè)、超聲檢測(cè)等.X 射線(xiàn)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)檢測(cè)技術(shù)作為一種三維檢測(cè)及成像方法,可應(yīng)用于復(fù)雜異形材料與構(gòu)件的檢測(cè).其中,微焦點(diǎn)CT 的空間分辨率可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部孔洞、夾雜物、裂紋等材料與結(jié)構(gòu)件表面及內(nèi)部缺陷表征,而且具有足夠大的空間檢測(cè)區(qū)域來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際工程結(jié)構(gòu)件級(jí)別材料性能表征(Melancon 2017).將力學(xué)加載裝置與微焦點(diǎn)CT 相結(jié)合,可以搭建材料與結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷損傷演化過(guò)程的原位表征觀(guān)測(cè)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化、宏觀(guān)結(jié)構(gòu)件性能分析和壽命預(yù)測(cè)的跨尺度關(guān)聯(lián),可用于構(gòu)件內(nèi)部缺陷演化及其失效機(jī)理研究.Amani 等(2018)和北京理工大學(xué)方岱寧院士團(tuán)隊(duì)等(Geng et al.2019a,2019b;Wang P et al.2020)搭建了原位微米CT 系統(tǒng),如圖19所示,可以觀(guān)測(cè)壓縮載荷下點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)缺陷的損傷演化過(guò)程,為金屬增材制造成形構(gòu)件缺陷三維定量化表征和損傷演化過(guò)程的在位觀(guān)測(cè)提供了有效檢測(cè)手段.Surad 等(2014,2020)采用X 射線(xiàn)CT 研究了增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的桿件表面缺陷;結(jié)果表明,打印點(diǎn)陣桿件存在取向限制,不同角度的桿件會(huì)存在顯著差異.其中,垂直于打印方向的桿件成形質(zhì)量較差;平行于打印方向的桿件成形質(zhì)量較好;由于材料的沉積效應(yīng),具有一定傾斜角度的桿件會(huì)和設(shè)計(jì)軸線(xiàn)存在偏差,存在截面形貌不規(guī)則或桿件缺失現(xiàn)象.進(jìn)一步,國(guó)內(nèi)外的研究人員采用原位微米CT 對(duì)增材制造結(jié)構(gòu)的缺陷演化過(guò)程以及其對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理開(kāi)展了研究.增材制造桿件的孔洞缺陷尺寸分布可以跨越幾個(gè)量級(jí),形貌差異顯著.此外,不同打印角度的桿件內(nèi)部孔洞含量存在顯著差異,具有工藝參數(shù)依賴(lài)性.基于該類(lèi)表征平臺(tái),方岱寧等(Wang P 等2019,2020;Lei 等2020)則是首次表征了增材制造AlSi10Mg 塊體材料和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷在加載下的演化過(guò)程.

圖19

4.2 強(qiáng)度分析評(píng)價(jià)

相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法,金屬增材制造的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析評(píng)價(jià)方法因注重考慮制造缺陷影響而稍有不同.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法主要包括兩類(lèi),實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬分析.目前,對(duì)增材制造金屬材料結(jié)構(gòu)的研究主要集中在航空、航天領(lǐng)域的輕量化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu).

4.2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要包括宏觀(guān)力學(xué)性能測(cè)試、原位CT 加載實(shí)驗(yàn).材料與結(jié)構(gòu)宏觀(guān)力學(xué)性能測(cè)試主要采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、大型支反力架等,獲得標(biāo)準(zhǔn)試樣或結(jié)構(gòu)的載荷位移曲線(xiàn),對(duì)其靜強(qiáng)度進(jìn)行定量評(píng)價(jià).但是,此類(lèi)常用實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法揭示金屬增材制造中常見(jiàn)內(nèi)部缺陷對(duì)試樣強(qiáng)度的影響,無(wú)法解釋其失效機(jī)理.為此,方岱寧院士團(tuán)隊(duì)(Geng et al.2019a,2019b;Wang P et al.2020)采用原位CT 加載實(shí)驗(yàn)定量分析了缺陷對(duì)試樣力學(xué)性能的影響,揭示了孔隙體積百分?jǐn)?shù)隨載荷的非線(xiàn)性演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部的等效塑性應(yīng)變隨孔隙體積百分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)而變大,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞.此外,分析結(jié)果表明,對(duì)于內(nèi)部孔洞缺陷較少的試樣,影響其材料力學(xué)性能的缺陷主要為粉末黏附導(dǎo)致的試樣表面幾何誤差.針對(duì)PBF_LB 制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),Liu L 等(2017)采用原位CT 加載實(shí)驗(yàn)定量化表征了其截面誤差,分析了不同構(gòu)型點(diǎn)陣的桿件幾何誤差在壓縮載荷下的對(duì)點(diǎn)陣變形的影響,揭示了截面誤差對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響機(jī)理.原位CT 加載實(shí)驗(yàn)雖然可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷演化過(guò)程的在位表征及強(qiáng)度的評(píng)價(jià)分析,但受限于CT 成像分辨率與試樣尺寸之間的約束關(guān)系,無(wú)法實(shí)現(xiàn)增材制造大尺寸構(gòu)件的在位表征.因此,針對(duì)金屬增材制造大型成形構(gòu)件,開(kāi)展考慮缺陷影響的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表征分析仍是一個(gè)難題.

4.2.2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬是分析金屬增材制造材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的另一種重要手段.針對(duì)金屬增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),數(shù)值模擬可便捷地分析點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能影響,揭示不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變形與失效機(jī)理,為增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用提供理論支撐(Latture et al.2019,Hanks et al.2020).依據(jù)所采用的建模方法不同,金屬增材制造結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)的數(shù)值模型可分為兩類(lèi):基于理想模型和基于真實(shí)幾何形貌/內(nèi)部缺陷模型的數(shù)值模型,如圖20所示,通常采用有限元法求解.

圖20

基于理想模型是指采用設(shè)計(jì)幾何模型直接進(jìn)行離散求解,不考慮增材制備的真實(shí)幾何形貌和內(nèi)部制造缺陷,采用的單元類(lèi)型主要為實(shí)體單元和結(jié)構(gòu)性單元(如梁?jiǎn)卧?.針對(duì)金屬增材制造體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),Li 等(2014,2015)采用實(shí)體有限元模型,通過(guò)Johnson–Cook 失效準(zhǔn)則,研究了其缺陷損傷演化過(guò)程.進(jìn)一步,Babamiri 等(2020)針對(duì)金屬增材制造Octet 和Diamond 兩種點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu),采用實(shí)體有限元模型研究了其宏觀(guān)力學(xué)性能,并通過(guò)Johnson–Cook 失效準(zhǔn)則與基于斷裂能的損傷演化準(zhǔn)則研究了結(jié)構(gòu)損傷演化過(guò)程,預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度.然而,對(duì)于具有復(fù)雜宏微觀(guān)結(jié)構(gòu)的多層級(jí)點(diǎn)陣構(gòu)件,實(shí)體有限元模型則受限于離散規(guī)模龐大、計(jì)算效率較低等限制.為降低計(jì)算規(guī)模,Liu 等(2021)和Jia 等(2020)將局部胞元與周期性邊界條件相結(jié)合以近似模擬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的宏觀(guān)等效力學(xué)性能,計(jì)算結(jié)果表明單胞模型可以有效提高計(jì)算效率,但高估了缺陷、損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響以致預(yù)測(cè)的極限強(qiáng)度大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果.此外,為進(jìn)一步提高數(shù)值模擬計(jì)算效率,可采用梁?jiǎn)卧獙?duì)主要由桿件組成的類(lèi)晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析.Guo 等(2020)對(duì)比了梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元預(yù)測(cè)的體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮載荷下的力學(xué)響應(yīng);計(jì)算結(jié)果表明,在桿件長(zhǎng)徑比(直徑/長(zhǎng)度)小于0.2 時(shí),梁?jiǎn)卧挠邢拊Ｐ团c實(shí)體單元模型的仿真結(jié)果具有較好的一致性.由于忽略了構(gòu)件內(nèi)部分布式孔洞缺陷、微裂紋以及表面幾何偏差,基于理想模型的數(shù)值離散模型無(wú)法考慮并揭示制造缺陷對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響.

基于真實(shí)幾何形貌和內(nèi)部缺陷的數(shù)值模型是指采用所制備構(gòu)件的實(shí)測(cè)幾何數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行建模并離散求解,從而可以直接考慮制造缺陷對(duì)構(gòu)件宏觀(guān)力學(xué)性能的影響.該類(lèi)模型包括兩類(lèi):基于CT 圖像驅(qū)動(dòng)的圖像有限元實(shí)體模型和基于統(tǒng)計(jì)信息的梁?jiǎn)卧Ｐ?前者直接采用構(gòu)件的高分辨率CT 圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散建模,從而可以獲得隨體網(wǎng)格,這也是其名稱(chēng)的由來(lái).方岱寧院士團(tuán)隊(duì)(Wang P et al.2019,Geng et al.2019b)建立了基于自動(dòng)填充的圖像有限元方法,實(shí)現(xiàn)了直接從CT 重構(gòu)的數(shù)字化幾何模型建立增材制造塊體材料與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高保真、高精度四面體單元有限元模型,研究了增材制造表面幾何缺陷對(duì)構(gòu)件內(nèi)部等效塑性應(yīng)變與應(yīng)力場(chǎng)分布的影響,揭示了缺陷對(duì)材料與結(jié)構(gòu)宏觀(guān)力學(xué)性能的影響機(jī)制.基于圖像有限元法,Amani 等(2018)分析了PBF_LB 制備的面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的損傷演化過(guò)程并預(yù)測(cè)了其極限強(qiáng)度,結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)研究了缺陷體積百分?jǐn)?shù)隨壓縮載荷的變化趨勢(shì),并采用Gurson-Tvergaard-Needleman 模型考慮了內(nèi)部分布式孔隙對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響以減少計(jì)算規(guī)模.基于統(tǒng)計(jì)信息的梁?jiǎn)卧Ｐ褪侵笇T 圖像所獲得桿件真實(shí)幾何信息和內(nèi)部缺陷信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并基于此統(tǒng)計(jì)信息建立相應(yīng)的梁?jiǎn)卧Ｐ?對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散求解,從而唯象地考慮幾何偏差和內(nèi)部孔洞缺陷對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響.基于該思路,Bagheri 等(2017)將增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部桿件幾何缺陷,分為桿件的軸線(xiàn)偏差、直徑波動(dòng)和直徑偏差三類(lèi),并根據(jù)不同方向桿件的幾何缺陷分布規(guī)律,建立與之相符合的隨機(jī)桿件半徑和軸線(xiàn)偏差的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧Ｐ?進(jìn)而分析了缺陷對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響.Lozanovaski 等(2020b,2021)同樣開(kāi)展了幾何缺陷對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的研究,但采用蒙特卡洛法建立了一種考慮軸線(xiàn)偏差和半徑變化的變截面實(shí)體單元模型及桿件半徑變化的梁?jiǎn)卧Ｐ?研究了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)幾何缺陷對(duì)其力學(xué)性能的影響.圖像有限元方法雖然可以顯式的考慮制造缺陷,但受限于離散規(guī)模大仍不能精細(xì)考慮構(gòu)件內(nèi)部存在的微裂紋缺陷,同時(shí)在幾何形狀變化急劇的孔洞周邊材料區(qū)域網(wǎng)格離散方面極其困難和耗時(shí).基于統(tǒng)計(jì)信息的梁?jiǎn)卧Ｐ捅举|(zhì)上是理想梁?jiǎn)卧Ｐ偷囊环N改進(jìn),其計(jì)算精度受限于桿件長(zhǎng)徑比,應(yīng)用范圍有限.因此,如何建立考慮真實(shí)內(nèi)部缺陷并且可以快速建模、高效計(jì)算的數(shù)值模擬方法是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題.

4.3 疲勞性能評(píng)價(jià)

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論模型方法對(duì)增材制造金屬疲勞性能做了大量研究.本節(jié)從缺陷誘發(fā)的疲勞失效機(jī)理、疲勞性能表征以及壽命預(yù)測(cè)方法三方面,對(duì)現(xiàn)有的研究工作依次論述.

4.3.1 缺陷誘發(fā)疲勞失效機(jī)理

缺陷是金屬增材制造材料疲勞破壞的主要因素.孔隙是金屬增材制造的主要缺陷,對(duì)疲勞性能的影響主要與其尺寸和形狀有關(guān).Sterling 等(2016)和Tian 等(2018)通過(guò)DED_LB 和PBF_LB制備的Ti-6Al-4V 合金材料疲勞試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)孔:隙尺寸越大、疲勞壽命越短,典型疲勞失效斷口如圖21所示.Edward 和 Ramulu(2014)與?kerfeldt 等(2018)的試驗(yàn)結(jié)果表明,相比于無(wú)缺陷試件,DED_LB 增材制造鈦合金材料的壽命降低程度與孔隙形狀相關(guān),其中非球形孔隙對(duì)疲勞壽命的削弱更明顯.Edward 和 Ramulu(2014)研究表明 PBF_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料內(nèi)部孔隙產(chǎn)生應(yīng)力集中,促進(jìn)了裂紋萌生.應(yīng)力集中也被 Razavi 等(2019)、Zhao 等(2020)和Akgun 等(2021)用于解釋孔隙對(duì)DED_LB 增材制造Ti-6Al-4V 材料和DED_ARC 增材制造CuAl9Ni5Fe4材料疲勞壽命的影響.Liu 等(2018)發(fā)現(xiàn)孔隙造成DED_LB 制備的TC11 合金材料孔隙表面材料軟化,在循環(huán)應(yīng)力下孔隙周?chē)牧铣霈F(xiàn)塑性流動(dòng)并促進(jìn)裂紋在孔壁形核.Beretta 等(2020)則給出了“類(lèi)裂紋”解釋,認(rèn)為孔隙缺陷與“裂紋”類(lèi)似,更易誘發(fā)裂紋萌生.Wang 和 He 等(2019)通過(guò)對(duì)DED_LB 制備TA15 合金材料疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):孔壁存在鋁元素析出,使得孔壁材料脆化,導(dǎo)致裂紋更易在孔壁萌生.Biswal 等(2019)認(rèn)為孔隙為DED_ARC 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料的位錯(cuò)提供自由表面,導(dǎo)致疲勞載荷作用下位錯(cuò)不斷增加,從而降低疲勞壽命.

圖21

粉末熔合不良(lack of fusion,LOF)是PBF 增材制造技術(shù)的常見(jiàn)制造缺陷,多為平面形狀,對(duì)疲勞性能有重要影響.針對(duì)PBF_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料,Leuders 等(2013)開(kāi)展的疲勞試驗(yàn)表明,LOF 是影響疲勞強(qiáng)度的重要因素.Molaei 等(2020)總結(jié)了LOF 分布平面與載荷的關(guān)系對(duì)PBF_LB 成形Ti-6Al-4V 試件疲勞壽命的影響,指出LOF 分布平面與軸線(xiàn)有45° 夾角的Ti-6Al-4V 試件因其LOF 缺陷與扭轉(zhuǎn)疲勞載荷剪切面存在夾角而疲勞壽命高,而在軸向載荷條件下則疲勞壽命低.與孔隙缺陷的影響機(jī)理類(lèi)似,LOF 誘發(fā)疲勞失效也可采用應(yīng)力集中和“類(lèi)裂紋”來(lái)解釋.Childerhouse 等(2021)認(rèn)為L(zhǎng)OF 引起應(yīng)力集中是PBF_EB 增材制造鈦合金疲勞極限下降的主要原因;Smith 等(2019)也認(rèn)為L(zhǎng)OF 造成的應(yīng)力集中促進(jìn)了DED_LB 增材制造304L 奧氏體不銹鋼材料的裂紋萌生,從而加速疲勞裂紋擴(kuò)展.

金屬増材制造成形材料內(nèi)部往往存在二種或二種以上缺陷,缺陷間存在競(jìng)爭(zhēng)和促進(jìn).Xie 等(2021)對(duì)DED_ARC 增材制造Al-Mg4.5Mn 材料的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),LOF 引起的應(yīng)力集中較孔隙缺陷更大.吳正凱等(2019)針對(duì)PBF_LB 增材制造的Ti-6Al-4V 合金材料,基于原位疲勞試驗(yàn)機(jī)和高分辨 X 射線(xiàn)三維成像(SR-μCT),觀(guān)測(cè)了材料內(nèi)部缺陷、疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展;結(jié)合斷口分析,試驗(yàn)結(jié)果顯示裂紋萌生于單個(gè)較大尺寸缺陷表面,呈現(xiàn)出典型的半橢圓形貌,表明未熔合型缺陷對(duì)疲勞壽命的影響相對(duì)較大.此外,微裂紋和夾雜缺陷對(duì)增材制造金屬材料疲勞性能和壽命也有重要的影響,但隨著工藝改進(jìn)對(duì)熱應(yīng)力的有效控制,微裂紋不再是金屬増材制造的主要缺陷.夾雜缺陷對(duì)疲勞性能的影響與常規(guī)金屬材料類(lèi)似,因此本文不作展開(kāi)論述.

總體而言,由于金屬增材制造工藝的特殊性、工藝/材料組合多樣性以及缺陷特征(類(lèi)型、密度、尺寸、形狀、方位等)的復(fù)雜性,缺陷對(duì)疲勞性能的影響個(gè)性化特征明顯,目前尚無(wú)普適性的結(jié)論.雖然隨著金屬增材制造技術(shù)的成熟和發(fā)展,增材制造金屬材料內(nèi)部缺陷類(lèi)型、數(shù)量和尺寸明顯減少,輔以熱等靜壓、同步微鍛等措施,制造缺陷可受到進(jìn)一步控制.但即便如此,缺陷也不能完全消除,同時(shí)缺陷間存在競(jìng)爭(zhēng)和促進(jìn),對(duì)材料疲勞性能的影響機(jī)理比較復(fù)雜.因此,缺陷誘發(fā)疲勞失效的機(jī)理仍需深入研究.

4.3.2 疲勞性能表征

由于制造缺陷種類(lèi)多、空間分布不均勻,目前研究多基于試驗(yàn)結(jié)果采用唯象方法進(jìn)行疲勞性能表征.由于疲勞壽命存在明顯的隨機(jī)性,其分布特征一般采用隨機(jī)變量模型描述.然而,金屬増材制造材料的疲勞失效因缺陷影響多呈混合失效模式,即部分試件產(chǎn)生表面或亞表面裂紋,部分試件為內(nèi)部缺陷起裂.因此,He 等(2019)與Wang 和 He 等(2021)建議采用雙峰概率分布模型描述DED_LB 增材制造TA15 鈦合金材料疲勞壽命分布,給出了可靠壽命和細(xì)節(jié)疲勞額定值估計(jì)方法.另一方面,金屬增材制造材料的S-N 曲線(xiàn)、ε-N 曲線(xiàn)描述上與常規(guī)材料并無(wú)差別,但需考慮缺陷的影響.為此,Le 和 Pessard 等(2020)利用缺陷面積修正最大應(yīng)力的Stromeyer 方程建立了相應(yīng)的S-N 曲線(xiàn),并給出了考慮材料性能各向異性的S-N 曲線(xiàn)(Le &Pessard et al.2019).

考慮制造缺陷幾何和位置參數(shù)、微觀(guān)組織和材料參數(shù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子門(mén)檻值、疲勞極限等方法也用于金屬增材制造成形材料疲勞性能表征.Romano 等(2017)針對(duì)缺陷隨機(jī)分布特性,利用分塊極值統(tǒng)計(jì)方法、最大似然法估計(jì)廣義帕累托分布形狀和尺度參數(shù),用Kitagawa 圖對(duì)含缺陷的增材制造構(gòu)件疲勞極限進(jìn)行評(píng)估.Hu 等(2020)采用Danninger-Weiss 模型評(píng)估了PBF_LB增材制造Ti-6Al-4V 材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子門(mén)檻值和疲勞極限,得到了修正的Kitagawa-Takahashi(K-T)圖,如圖22所示.Le 和 Pessard 等(2019)引入應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值的Caton 方法計(jì)算了PBF_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子門(mén)檻值;Rigon 等(2020)則采用當(dāng)量初始不連續(xù)態(tài)修正的El-Haddad 公式計(jì)算了PBF_LB 增材制造馬氏體鋼300 和17-4PH 不銹鋼材料有效應(yīng)力強(qiáng)度因子門(mén)檻值.針對(duì)PBF_LB 增材制造的AlSi10Mg 合金材料,Wu J和Wu Z 等(2021)則考慮増材制造的方向性,將內(nèi)部缺陷等效為橢球,將其投影面積的平方根作為特征尺寸,結(jié)合修正的K-T 圖對(duì)不同取向試樣的疲勞極限進(jìn)行了評(píng)估.

圖22

金屬増材制造材料微觀(guān)組織和缺陷與工藝密切相關(guān),工藝參數(shù)改變會(huì)引起材料性能改變,因此唯象方法存在很大的局限性.如何結(jié)合金屬增材制造數(shù)值模擬,引入工藝參數(shù)、工藝過(guò)程對(duì)微觀(guān)組織和缺陷的影響,從微?介?宏觀(guān)多尺度對(duì)材料的疲勞性能進(jìn)行表征是一個(gè)非常重要的研究方向.

4.3.3 疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

増材制造金屬材料疲勞壽命預(yù)測(cè)與常規(guī)材料并無(wú)本質(zhì)差別,但需有針對(duì)性的考慮其特殊微觀(guān)組織和制造缺陷,目前采用的方法多是傳統(tǒng)的疲勞分析和裂紋擴(kuò)展分析方法.Beretta 等(2020)根據(jù)孔隙幾何特征參數(shù)計(jì)算得到應(yīng)力集中系數(shù)Kt,利用該Kt 下的S-N 曲線(xiàn)分析PBF_LB增材制造AlSi10Mg 和Ti-6Al-4V 合金材料的疲勞壽命.Xin 等(2021)獲得了不同可靠度下的應(yīng)變疲勞Manson-Coffin 曲線(xiàn),并基于此建立了DED_ARC 增材制造S355 和S690 不銹鋼材料低周疲勞壽命預(yù)估模型.Zhang Q 等(2019)針對(duì)含單個(gè)孔隙缺陷的PBF_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料,利用有限元法計(jì)算孔邊局部應(yīng)力?應(yīng)變場(chǎng)和孔隙應(yīng)力集中系數(shù),進(jìn)而采用應(yīng)變疲勞分析方法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè).此類(lèi)疲勞分析方法往往需要積累大量的材料性能數(shù)據(jù).與經(jīng)驗(yàn)性的疲勞分析方法相比,裂紋擴(kuò)展分析方法對(duì)含缺陷金屬材料疲勞壽命預(yù)測(cè)有較好的適用性.Hu 等(2020)利用缺陷等效法則(Murakami et al.2019)將材料內(nèi)部的不規(guī)則缺陷當(dāng)量為初始裂紋,結(jié)合裂紋閉合效應(yīng)修正的K-T 圖,進(jìn)行了PBF_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料的壽命分析(圖23);Yadollahi 等(2018)和Sheridan 等(2021)將缺陷等效為裂紋,采用裂紋擴(kuò)展方法預(yù)測(cè)了PBF_LB 增材制造Inconel 718 合金材料的疲勞壽命.由于PBF_LB 增材制造的材料晶粒尺寸小、均勻性好、缺陷多且多為不規(guī)則“平面”缺陷或前緣尖銳的缺陷,小裂紋擴(kuò)展分析方法在該工藝下金屬材料疲勞分析上均取得比較好的效果,但同樣需要積累裂紋擴(kuò)展參數(shù),對(duì)含孔隙缺陷的適用性也較差.

圖23

金屬增材制造成形材料獨(dú)特的微觀(guān)組織與缺陷共同影響其疲勞性能.為此,Wan 等(2016)提出了考慮微觀(guān)組織和孔隙率的多尺度損傷力學(xué)?有限元方法,預(yù)測(cè)了DED_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料疲勞裂紋萌生壽命,與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.另一方面,基于McDowell 等(2003)提出的預(yù)測(cè)多階段疲勞壽命的微觀(guān)組織敏感疲勞模型(microstructure sensitive fatigue model),Torries 等(2016)和Xue 等(2010)分析了DED_LB 增材制造Ti-6Al-4V 和316L 不銹鋼材料的低周疲勞壽命,取得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果.然而,如何考慮各類(lèi)増材制造金屬材料微觀(guān)組織的特殊性,準(zhǔn)確判斷多階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)及減少參數(shù)獲取工作仍值得深入研究.此外,Yan 等(2018a)通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了微觀(guān)組織和孔隙缺陷,通過(guò)晶體塑性模型和Fatemi-Socie 模型探究了PBF_EB增材制造Ti-6Al-4V 合金材料的疲勞性能,則為該方向提供了有益的參考.

高精度、高效金屬増材制造材料疲勞壽命預(yù)測(cè)方法一直是疲勞領(lǐng)域的核心問(wèn)題.金屬增材制造工藝參數(shù)多變性和制造過(guò)程中形成的分布式缺陷、微觀(guān)組織/結(jié)構(gòu)復(fù)雜性導(dǎo)致其成形材料的疲勞壽命高精度、高效預(yù)測(cè)極具挑戰(zhàn)性.近期,Zhan 和Li(2021)、Luo 等(2021)利用機(jī)器學(xué)習(xí)處理復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)勢(shì),結(jié)合力學(xué)模型、數(shù)值模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,研究了PBF_LB 增材制造316L 不銹鋼和IN718 合金材料疲勞壽命與工藝參數(shù)、缺陷特征的關(guān)系.Bao 等(2021)等則應(yīng)用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了缺陷特征與疲勞壽命的關(guān)系,并進(jìn)一步將材料成分和工藝參數(shù)作為參數(shù),開(kāi)展了疲勞壽命預(yù)計(jì)方法研究,展示了機(jī)器學(xué)習(xí)在該類(lèi)問(wèn)題求解的潛力.在缺乏有效的力學(xué)模型情況下,機(jī)器學(xué)習(xí)為金屬增材制造成形材料與構(gòu)件疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了一種可行的技術(shù)途徑,值得進(jìn)一步深入研究.

4.4 抗沖擊性能評(píng)價(jià)

隨著金屬增材制造材料及構(gòu)件在國(guó)防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用拓展,其在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與研究(劉洋等2021).考慮到金屬增材制造逐道搭接逐層疊加和快熱快冷的工藝特性,成形材料往往具有獨(dú)特的微觀(guān)組織和制造缺陷,導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)力學(xué)行為異于基于傳統(tǒng)制造工藝的材料.本節(jié)主要圍繞增材制造金屬材料的抗沖擊性能評(píng)價(jià)對(duì)現(xiàn)有研究工作進(jìn)行論述.

目前,增材制造金屬材料抗沖擊性能分析評(píng)價(jià)以實(shí)驗(yàn)方法為主.常用實(shí)驗(yàn)方法包括分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)、輕氣炮平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn)和高功率脈沖激光沖擊加載層裂實(shí)驗(yàn)等.其中,SHPB 可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率高達(dá)104s?1沖擊載荷加載,后兩者則可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率高達(dá)106～107s?1的沖擊載荷加載.在金屬增材制造中,常見(jiàn)材料凝固微觀(guān)組織以沿建造方向(build direction)生長(zhǎng)的柱狀晶為主,因而材料一般具有各向異性;材料逐層凝固堆積形成的冶金結(jié)合界面在建造方向和垂直于建造方向上的展現(xiàn)形式也不相同.因此,沖擊試樣制備通常包括兩類(lèi):一類(lèi)是沿建造方向取樣,另一類(lèi)是沿垂直于建造方向取樣,如圖24所示,在下文中分別稱(chēng)為OZ 試樣和OX 試樣.

圖24

基于SHPB 實(shí)驗(yàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同增材制造技術(shù)制備的Ti-6Al-4V、AlSi10Mg、不銹鋼等合金材料開(kāi)展了其沖擊加載下的力學(xué)性能研究.Biswas 等(2012)研究了DED_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料在不同應(yīng)變率(1.0×103s?1,4.0×103s?1,8.0×103s?1)加載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng),分析了孔隙率(近似0%,10%和20%)對(duì)其力學(xué)性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,試樣的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而增強(qiáng),失效應(yīng)變則隨之降低;在同一應(yīng)變率下,其抗壓強(qiáng)度則隨著孔隙率增大而降低.Alaghmandfard 等(2020)則研究了PBF_EM 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料在應(yīng)變率為1150 ～2700 s?1范圍內(nèi)的抗沖擊性能.結(jié)果表明OZ 試樣的抗壓強(qiáng)度高于OX 試樣,其原因是前者的微觀(guān)組織晶粒較后者更為細(xì)小.Asgari 等(2018)采用SHPB 研究了PBF_LB 增材制造AlSi10Mg_200C合金材料在150～1600 s?1應(yīng)變率 范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,僅OX 試樣在應(yīng)變率為1600 s?1時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)有兩個(gè)峰值,如圖25(a)所示;OZ 試樣在動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度、流動(dòng)應(yīng)力峰值方面高于OX 試樣,但在韌性方面較弱,如圖25(b)所示,這歸因于兩類(lèi)樣件材料微觀(guān)組織的差異性.相比于OX 試樣,OZ 試樣具有更加均勻的微觀(guān)組織、高致密度,抑制了在高應(yīng)變率加載下OX 試樣中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,從而避免了塑性段的雙峰現(xiàn)象.進(jìn)一步,Nurel 等(2018)采用SHPB 研究了PBF_LB 增材制造AlSi10Mg 合金材料在700～7900 s?1應(yīng)變率范圍內(nèi)的抗沖擊性能.結(jié)果表明,OZ 試樣與OX 試樣在1000～3000 s?1應(yīng)變率范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度具有各向異性,若超出此范圍則兩者的差異較小;兩類(lèi)試樣在高應(yīng)變率(5800 s?1)加載下均產(chǎn)生大量徑向脆性裂紋,但OZ 試樣的裂紋主要位于熔覆層結(jié)合界面處,而OX 樣件的裂紋主要位于熔覆道結(jié)合界面處.此外,Nurel 等(2018)發(fā)現(xiàn),經(jīng)T5 熱處理后試樣的微觀(guān)組織發(fā)生變化,導(dǎo)致其強(qiáng)度變?nèi)?、韌性增強(qiáng),但并不改變材料抗壓強(qiáng)度的各向異性.Xue 等(2021)采用DED_ARC 制備了TA15-0.1B 合金材料并進(jìn)行退火處理,開(kāi)展了應(yīng)變率為3000 s?1的沖擊加載實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明,OZ 試樣與OX 試樣動(dòng)態(tài)力學(xué)性能差異性較小,不具有顯著的各向異性.這是因?yàn)樵嚇泳哂芯虮容^隨機(jī)的等軸晶微觀(guān)組織,同時(shí)熱處理對(duì)其織構(gòu)的影響也有限.Chen J 等(2021)研究了DED_ARC 增材制造316L 不銹鋼材料在690～4400 s?1應(yīng)變率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所制備的316L 不銹鋼材料在應(yīng)變低于10%時(shí)的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力高于傳統(tǒng)鍛件水平,其歸因于增材制造形成了異于鑄件的特殊胞狀微觀(guān)組織.

圖25

基于平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了增材制造合金材料的層裂強(qiáng)度研究,發(fā)現(xiàn)熔覆道冶金結(jié)合界面是微孔洞形核的主要區(qū)域.Jones 等(2016)研究了PBF_LB 增材制造Ti-6Al-4V 合金材料的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能,所得結(jié)果顯示OX 試樣層裂強(qiáng)度強(qiáng)于OZ 試樣(僅為同等條件下鑄件的60%)而略低于傳統(tǒng)鑄件.其原因是,在OZ 試樣中,拉伸應(yīng)力垂直于熔覆層界面,從而導(dǎo)致微孔洞在這些弱結(jié)合界面形核、擴(kuò)展、融合進(jìn)而發(fā)生快速斷裂;在OX 試樣中,拉伸應(yīng)力平行于熔覆層結(jié)合界面,在初期主要作用于熔覆層內(nèi)的柱狀晶,在后期應(yīng)力狀態(tài)不再是一維狀態(tài)時(shí)則作用于這些弱結(jié)合界面.Zaretsky 等(2017)研究了PBF_LB 增材制造AlSi10Mg 合金材料經(jīng)T5 熱處理后的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和層裂強(qiáng)度較傳統(tǒng)砂型鑄件分別高約2 倍和4 倍,并將其歸因于金屬增材制造過(guò)程中高冷卻速率條件下形成的較鑄件更為精細(xì)的胞狀共晶微觀(guān)組織.此外,Zaretsky 等(2017)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:試樣的層裂位置主要沿晶界斷裂而非熔覆層結(jié)合界面;當(dāng)應(yīng)變率高于5000 s?1時(shí),試樣主要斷裂模式則由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?史同亞等(2019)研究了PBF_LB 增材制造GP1 不銹鋼材料動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能和斷裂特性,開(kāi)展了不同應(yīng)變率下的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)和不同速度下飛片撞擊層裂實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖26所示.其中,圖26(a)表明,GP1 不銹鋼流動(dòng)應(yīng)力具有顯著的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng),并且當(dāng)應(yīng)變率為400 s?1和600 s?1時(shí),屈服應(yīng)力顯著增大.這些動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)不僅歸因于應(yīng)變率的影響,也與材料中微觀(guān)組織演化相關(guān).圖26(b)給出了不同撞擊速度下試樣的層裂形貌,斷口金相分析(圖4(c))顯示熔合線(xiàn)交匯處是微孔洞的主要成核源,表明PBF_LB 增材制造GP1 不銹鋼材料冶金結(jié)合界面強(qiáng)度相對(duì)熔池內(nèi)部較弱.

圖26

相比于平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn),目前基于高功率脈沖激光沖擊加載開(kāi)展金屬增材制造材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究較少.Laurencon 等(2019)采用該實(shí)驗(yàn)方法研究了經(jīng)PBF_LB 制備和熱后處理后的兩組AlSi10Mg 試樣(P1 和P2).其中,P1 和P2 組試樣孔隙率分別為0.89%和2.25%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示P1 組試樣的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度(正比于圖27(b)所示的雨貢紐彈性極限)和層裂強(qiáng)度顯著高于P2 組試樣,表明孔隙率越大材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能越弱.同時(shí),對(duì)比分析P2 組的OZ 試樣和OX 試樣(分別對(duì)應(yīng)于圖27(b)中的Z和XY)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩者力學(xué)性能差異性較小,與Zaretsky 等(2017)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致,但斷裂模式為韌性斷裂并非脆性斷裂(文中將其歸因于高應(yīng)變率加載下的溫升抑制了韌性到脆性斷裂模式的轉(zhuǎn)變).此外,斷面形貌分析顯示:當(dāng)激光沖擊方向與建造方向反向時(shí),斷面主要沿熔覆層間結(jié)合界面處發(fā)生,稱(chēng)為“池間”(interpool)斷裂模式,因此斷裂面較光滑;當(dāng)激光沖擊方向與建造方向垂直時(shí),斷裂主要沿熔池內(nèi)晶界發(fā)生,稱(chēng)為“池內(nèi)”(intrapool)斷裂模式,因此斷裂面并不規(guī)則;當(dāng)激光沖擊加載方向沿建造方向時(shí),“池間”和“池內(nèi)”兩種斷裂模式均發(fā)生,如圖27(c)所示,表明斷面形貌依賴(lài)于沖擊加載和試樣建造方向(圖27(a)).

圖27

總體而言,金屬增材制造材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究目前仍處于初步階段.金屬增材制造材料迥異于傳統(tǒng)制造的微觀(guān)組織和冶金缺陷(孔隙、熔池界面等)決定了其獨(dú)特的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)理,并依賴(lài)于增材制造設(shè)備性能成熟度和具體工藝參數(shù).雖然已有工作對(duì)增材制造合金材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能取得了一定的認(rèn)識(shí),但由于增材制造個(gè)性化特征明顯,所制備材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析表征仍極具復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性.此外,已有針對(duì)傳統(tǒng)材料的本構(gòu)模型將難以準(zhǔn)確描述增材制造金屬材料的動(dòng)態(tài)變形機(jī)制和失效模式.因此,增材制造金屬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析評(píng)價(jià)及其與微觀(guān)組織、缺陷的關(guān)系仍需深入研究,同時(shí)如何建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系則是一個(gè)亟待解決的新難題.

4.5 小結(jié)

本節(jié)針對(duì)金屬增材制造材料與構(gòu)件的缺陷表征與性能評(píng)價(jià)問(wèn)題,重點(diǎn)圍繞缺陷類(lèi)型及表征方法、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料疲勞性能和抗沖擊性能分析評(píng)價(jià)四個(gè)方面梳理了當(dāng)前的研究工作.

針對(duì)金屬增材制造缺陷類(lèi)型及表征方法,目前的研究工作可分為兩類(lèi):第一類(lèi)為表面缺陷表征方法,采用光學(xué)顯微鏡及光學(xué)掃描儀等對(duì)金屬增材制造材料與結(jié)構(gòu)表面幾何缺陷進(jìn)行檢測(cè)表征,可以實(shí)現(xiàn)多尺度的表面缺陷表征;第二類(lèi)為內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法,采用超聲、X 射線(xiàn)等無(wú)損檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)增材制造內(nèi)部缺陷的檢測(cè)表征,可以定量化評(píng)價(jià)增材制造構(gòu)件內(nèi)部孔洞、夾雜物、表面幾何缺陷及桿件缺陷等.進(jìn)一步將X 射線(xiàn)微米CT 與在位加載裝置相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)增材制造缺陷損傷演化過(guò)程的在位表征,揭示材料與結(jié)構(gòu)的損傷演化與失效機(jī)理.對(duì)于增材制造結(jié)構(gòu)的缺陷表征方法,在位微米CT 基本滿(mǎn)足全部缺陷類(lèi)型的檢測(cè)與表征,但是受限于CT 分辨率與試樣尺寸的制約關(guān)系.此外,目前增材制造結(jié)構(gòu)在位CT 表征的研究工作主要集中于常溫拉伸、壓縮等簡(jiǎn)單加載下小尺寸樣品的評(píng)價(jià)表征.因此如何開(kāi)發(fā)多場(chǎng)耦合環(huán)境下增材制造大尺寸結(jié)構(gòu)的在位CT 表征方法,是增材制造缺陷表征方法研究的重要發(fā)展方向.

針對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法,目前的研究工作可分為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和數(shù)值模擬分析兩類(lèi).實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)主要采用宏觀(guān)力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)機(jī)、力學(xué)加載CT 在位表征等裝置,對(duì)結(jié)構(gòu)的拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎曲等載荷下的強(qiáng)度進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià).這種方法一般需要消耗大量的成本來(lái)制備試樣并實(shí)驗(yàn)測(cè)試.第二類(lèi)是數(shù)值模擬分析,常采用有限元法,主要分為基于理想模型和基于真實(shí)幾何形貌/內(nèi)部缺陷模型的數(shù)值求解模型.其中,基于理想模型的數(shù)值仿真主要采用實(shí)體單元或者梁?jiǎn)卧獙?duì)增材制造結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià),忽略了構(gòu)件在成形過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部分布式缺陷與表面的幾何偏差的影響,因此強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果一般大于實(shí)驗(yàn)值,并且無(wú)法揭示增材制造構(gòu)件真實(shí)的失效模式.基于真實(shí)幾何形貌/內(nèi)部缺陷模型的數(shù)值求解一般采用圖像有限元法.該方法直接將增材制造結(jié)構(gòu)的真實(shí)CT 圖像作為網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn),建立了考慮內(nèi)部真實(shí)缺陷的實(shí)體單元離散模型,可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷真實(shí)幾何形貌的損傷演化過(guò)程仿真分析,提高了強(qiáng)度預(yù)測(cè)精度.但是,高分辨率的CT 掃描含有大量數(shù)據(jù),導(dǎo)致圖像有限元模型離散規(guī)模龐大、計(jì)算效率低,且無(wú)法顯示考慮微裂紋等缺陷.因此,如何建立兼顧高計(jì)算效率與高保真的增材制造結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值分析方法是亟待解決的重要問(wèn)題.

隨著航天航空、軌道交通等領(lǐng)域主承力結(jié)構(gòu)對(duì)金屬増材制造需求的增加,金屬增材制造材料疲勞性能與抗沖擊性能等日益受到關(guān)注.目前,疲勞性能評(píng)價(jià)方面的研究工作可分為缺陷誘發(fā)疲勞失效機(jī)理、疲勞性能表征與壽命預(yù)測(cè)方法等.增材制造金屬材料疲勞性能主要受孔隙、粉末融合不良、微裂紋和夾雜等缺陷的影響.然而,由于缺陷特征的復(fù)雜性,缺陷對(duì)疲勞性能的影響個(gè)性化特征明顯,尚無(wú)普適性的結(jié)論.針對(duì)增材制造金屬材料疲勞壽命存在明顯的隨機(jī)性和失效模式多樣性,疲勞性能的表征一般基于試驗(yàn)結(jié)果采用唯象方法描述,包括采用缺陷幾何和位置參數(shù)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)建立增材制造金屬材料應(yīng)力強(qiáng)度因子、疲勞極限等疲勞性能表征方法等.但是,金屬増材制造材料微觀(guān)組織和缺陷與工藝參數(shù)、制造設(shè)備密切相關(guān),導(dǎo)致唯象方法具有很大的局限性.因此,如何將工藝參數(shù)對(duì)微觀(guān)組織和缺陷的影響通過(guò)多尺度多物理場(chǎng)模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),從而對(duì)材料的疲勞性能進(jìn)行表征是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題.在疲勞壽命預(yù)估方面,常采用的方法是傳統(tǒng)的疲勞分析和裂紋擴(kuò)展分析方法.考慮到金屬增材制造分布式缺陷、微觀(guān)組織/結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,機(jī)器學(xué)習(xí)算法也被用于構(gòu)建缺陷特征與疲勞壽命的關(guān)系,是金屬增材制造成形材料與構(gòu)件疲勞壽命預(yù)測(cè)的前沿發(fā)展方向.總的來(lái)說(shuō),針對(duì)金屬增材制造材料與構(gòu)件的缺陷誘發(fā)疲勞失效機(jī)理、性能表征和壽命預(yù)測(cè)方法并未取得一致性結(jié)論,尚需深入研究.

目前,針對(duì)金屬增材制造材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能評(píng)價(jià)的研究仍處于初步階段,且主要以沖擊加載實(shí)驗(yàn)方法為主.實(shí)驗(yàn)方法主要包括分離式霍普金森壓桿、輕氣炮平板撞擊層裂實(shí)驗(yàn)和高功率脈沖激光沖擊加載層裂實(shí)驗(yàn),并通常沿建造方向和垂直于建造方向取樣以研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的各向異性.研究相對(duì)較多的增材制造合金材料包括Ti-6Al-4V、AlSi10Mg、不銹鋼合金等,其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與傳統(tǒng)鑄件或鍛件存在較為明顯的差別.一方面,金屬增材制造過(guò)程中不可避免的冶金缺陷降低了材料的抗壓強(qiáng)度,逐道搭接逐層堆疊方式產(chǎn)生的強(qiáng)度較弱的冶金結(jié)合界面則是沖擊載荷作用下微孔洞、微裂紋萌生擴(kuò)展的主要場(chǎng)所,導(dǎo)致特殊的“池間”斷裂模式.另一方面,金屬增材制造快熱快冷的制造過(guò)程即可導(dǎo)致更為精細(xì)的晶粒以增強(qiáng)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,也可導(dǎo)致織構(gòu)和更為復(fù)雜的微觀(guān)組織使得材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)呈現(xiàn)各向異性和獨(dú)特的變形機(jī)理.雖然已有工作取得了一定的進(jìn)展,但由于增材制造個(gè)性化特征明顯,金屬增材制造材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與成形材料的微觀(guān)組織、制造缺陷的關(guān)聯(lián)仍需進(jìn)一步研究.同時(shí),如何建立金屬增材制造材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系則是一個(gè)重要的新研究方向.

5 展 望

金屬增材制造技術(shù)作為近三十年來(lái)快速發(fā)展的新興制造技術(shù),顛覆了傳統(tǒng)制造范式,豐富了現(xiàn)有制造體系,給航空、航天、交通和核電等領(lǐng)域的高端裝備結(jié)構(gòu)跨代升級(jí)帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段.針對(duì)現(xiàn)階段金屬增材制造技術(shù)發(fā)展所遇到的控形保性關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,力學(xué)至少在面向增材制造的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、制造過(guò)程模擬、成形材料與構(gòu)件的缺陷表征與性能評(píng)價(jià)三個(gè)方面發(fā)揮著關(guān)鍵支撐作用.

在面向金屬增材制造的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方面,已有研究工作可分為兩大類(lèi):造物制于形與造物不止于形.縱觀(guān)現(xiàn)有研究現(xiàn)狀,為進(jìn)一步有效提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能和其可制造性并充分發(fā)揮金屬增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì),面向金屬增材制造的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化在以下三個(gè)方面仍需深入研究:(1)針對(duì)特定的增材制造工藝,建立精細(xì)的制造約束表征模型和相應(yīng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法;(2)建立制造不止于形和結(jié)構(gòu)不制于形相融合的高效多尺度拓?fù)鋬?yōu)化方法并確保多類(lèi)微結(jié)構(gòu)之間的高階銜接性;(3)結(jié)合金屬增材制造成形材料各向異性的精準(zhǔn)表征、殘余應(yīng)力的高效計(jì)算等方法,發(fā)展考慮材料與物理特性調(diào)控的金屬增材制造結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化算法.

在金屬增材制造數(shù)值模擬方面,已有研究工作主要圍繞“過(guò)程?組織?性能”三個(gè)方面開(kāi)展,以期揭示制造缺陷形成機(jī)理、輔助優(yōu)化控形保性工藝參數(shù).然而,現(xiàn)有工藝參數(shù)優(yōu)化的主要手段仍以“試錯(cuò)法”主導(dǎo),其原因在于現(xiàn)有的數(shù)值模型和算法總體上存在假設(shè)多、離散規(guī)模大、計(jì)算效率低等不足.因此,金屬增材制造數(shù)值模擬在以下四個(gè)方面仍需深入研究:(1)建立傳熱傳質(zhì)過(guò)程 “熱?流?固”強(qiáng)耦合問(wèn)題的高效高保真算法及其并行算法,發(fā)展其與材料微觀(guān)組織模擬算法的雙向耦合方法;(2)基于“熱?流?固”強(qiáng)耦合模型,發(fā)展金屬增材制造殘余應(yīng)變、應(yīng)力預(yù)測(cè)的高精度跨尺度固有應(yīng)變法;(3)建立逐道逐層掃描熱循環(huán)下“凝固微觀(guān)組織?晶粒粗化?固態(tài)相變”的高效數(shù)值模擬方法,基于晶體塑性學(xué)發(fā)展考慮材料微觀(guān)組織和制造缺陷的材料靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能計(jì)算方法;(4)建立高效高精度的“過(guò)程?微觀(guān)組織/結(jié)構(gòu)/?性能”數(shù)值模擬耦合算法,并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的金屬增材制造數(shù)值模擬新范式,建立可輔助制造過(guò)程工藝參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化的高效代理模型.

在金屬增材制造成形材料與構(gòu)件的缺陷表征與靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能評(píng)價(jià)方面,目前的研究工作主要是圍繞內(nèi)部缺陷表征、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成形材料疲勞性能、抗沖擊性能評(píng)價(jià)開(kāi)展.總的來(lái)講,金屬增材制造材料與結(jié)構(gòu)的缺陷種類(lèi)多、缺陷空間分布隨機(jī)、形成的微觀(guān)組織獨(dú)特,導(dǎo)致成形材料與結(jié)構(gòu)的缺陷表征、強(qiáng)度、疲勞性能和抗沖擊性能評(píng)價(jià)非常具有挑戰(zhàn)性.因此,為保障金屬增材制造成形構(gòu)件在實(shí)際工程應(yīng)用的可靠性,在以下四個(gè)方面仍需深入研究:(1)研發(fā)多場(chǎng)耦合環(huán)境下增材制造大尺寸結(jié)構(gòu)的在位CT 表征平臺(tái);(2)建立兼顧高計(jì)算效率與高保真的增材制造結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值分析方法,實(shí)現(xiàn)考慮宏微觀(guān)缺陷的增材制造結(jié)構(gòu)全尺寸數(shù)值分析評(píng)價(jià);(3)開(kāi)展多缺陷耦合作用下疲勞失效機(jī)理研究,建立基于機(jī)器學(xué)習(xí)的金屬增材制造成形材料與構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型;(4)開(kāi)展金屬增材制造材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究,建立微觀(guān)組織和缺陷與材料動(dòng)態(tài)變形和失效破壞機(jī)理的關(guān)聯(lián),發(fā)展金屬增材制造材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)理論.

金屬增材制造是一種兼顧精確成形和高性能成形需求的設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù),如何將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、制造過(guò)程模擬、成形材料與構(gòu)件缺陷表征與靜/動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和疲勞性能評(píng)價(jià)(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?制造模擬?性能評(píng)價(jià))相結(jié)合則是充分發(fā)揮其制造優(yōu)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)控形保性制造的關(guān)鍵基礎(chǔ).然而,這方面的研究尚無(wú)開(kāi)展.因此,基于上述三個(gè)關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題的研究成果,如何建立面向金屬增材制造技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?制造模擬?性能評(píng)價(jià)一體化理論與方法則是一個(gè)亟待開(kāi)展的新研究方向.

致 謝國(guó)家自然科學(xué)基金(11972086,12002031,12027901,12072029,52075195)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB1104003)、裝備發(fā)展部預(yù)先研究項(xiàng)目(41423010102)、國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃(JCKY2016110C012)資助.