選區(qū)激光熔化技術(SLM)是一種增材制造技術,具有生產(chǎn)周期短、材料利用率高的優(yōu)點,被越來越多地應用于航天、醫(yī)療等諸多領域。SLM制備件的優(yōu)劣受工藝參數(shù)的影響較大,但傳統(tǒng)的實驗試錯法確定工藝參數(shù)費時、費力且花費較大,所以研究者采用仿真的方法對SLM過程進行研究,減少試錯的次數(shù)以節(jié)省制造成本

。目前的研究大多集中在溫度場、應力應變及金相組織仿真3個方面。溫度場是應力應變及金相組織研究的基礎,提升溫度場的仿真精度對整個SLM的仿真至關重要。溫度場的精度受熱源模型的影響最大,所以熱源模型的改進和優(yōu)化是SLM仿真精度提高的關鍵所在。

牧區(qū)在飼養(yǎng)牲畜的整個過程中，如果健康牲畜與患病牲畜進行接觸，那么極有可能感染小反芻獸疫病毒。尤其是新疆等地區(qū)，由于靠近小反芻獸疫病毒流行區(qū)域，因此在與其他地區(qū)進行貿(mào)易往來時，極有可能引進其他地區(qū)的病畜，進而導致牧區(qū)健康牲畜出現(xiàn)大面積感染，給牧區(qū)養(yǎng)殖戶帶來極大的損失。因此，相關部門應充分重視這一問題，并采取有效措施，提升牲畜貿(mào)易監(jiān)督管理力度，及時做好檢疫工作，通過控制疫病源頭的方式，避免威脅牧區(qū)的健康牲畜。

常用于SLM熔池溫度場仿真的方法有有限元法和有限體積法。在有限元仿真中,Goldak于1984年提出了雙橢球熱源模型

,該模型由前后兩個四分之一橢球組成,在實際應用中,需要通過觀察熔池形貌調(diào)整雙橢球前后兩個半橢球的尺寸,得到合適的熱源模型,該模型在增材制造領域應用廣泛

。圓柱形熱源模型也是一種適用廣泛的熱源模型,其在圓柱截面上滿足高斯分布,在軸向方向上按照某一規(guī)律逐漸衰減

。上述仿真模型都具有一定的適用性,但是沒有考慮粉末排布對熱源模型的影響。

在有限體積法SLM熔池溫度場仿真過程中,通常會考慮粉末的影響,將粉末視為球體,研究激光作用下粉末熔化汽化、熔池流動及凝固過程中溫度場的變化,粉末顆粒的假設狀態(tài)對熱源的分布有著重要的影響。起初有些研究者將粉末模型視為大小一致,按照簡單立方堆積方法排布的粉末層

。Galati等提出用多種尺寸球體均勻堆積的方式,來近似模擬粉末狀態(tài)

。Wu等采用離散單元法模擬隨機粉末的生成,并按區(qū)域統(tǒng)計顆粒分布的均勻性

。Tang等采用LIGGHTS開源代碼,在考慮了重力、摩擦力的情況下模擬粉末狀態(tài)

。Khairallah等使用ALE3D代碼的“粒子包”、以設定的堆積密度為目標,實現(xiàn)粉末的隨機排布

。學者不斷嘗試完善模型,使粉末狀態(tài)更趨近于真實情況,提升仿真的精度。有限體積法計算精度高,但是其計算量大,難以進行大尺寸仿真計算

。

Gusarov等結合有限元法的高效與有限體積法的高精度兩種優(yōu)點,考慮激光能量在假設的均勻排列粉末中的吸收情況建立仿真模型

。Tran等考慮了粉末顆粒的排布對能量吸收的影響,通過統(tǒng)計粉末層中每層的能量吸收率構建模型,提出了一種應用于SLM有限元仿真的新熱源模型,將該熱源模型用于SLM熔池溫度場仿真,既具有較快的分析速度又具有較高的精度

。然而,Tran等只分析了能量分布在深度方向的變化,水平方向直接沿用了傳統(tǒng)的平面高斯能量分布情況,并未深入分析水平方向能量分布的變化。本文對Tran等

研究的不足之處進行改進,深入分析水平方向能量分布的變化,進行函數(shù)擬合,提出新的熱源模型。

綜上所述,本文對考慮粉末影響的熱源模型進行了深入分析,研究其在水平方向上的能量分布情況,改進熱源模型并提升溫度場預測精度。首先采用Python編程得到粉末模型,將得到的粉末模型與激光進行交互作用,計算、統(tǒng)計熱源在粉末中的分布情況;然后對統(tǒng)計結果進行深度方向和水平方向的擬合,獲得熱源的分布規(guī)律,得到完整的熱源模型,并將其用于有限元溫度場仿真;最后進行實驗檢驗仿真結果。

丁珰道：“你們兩個長得一模一樣，在我心里，實在也沒什么分別，何況我和你相聚多日，你又一直待我這么好?！站们樯@四個字，你總聽見過吧？”她抓住了石破天雙手，說道：“天哥，你答允我，你無論如何，不能去死?！?/p>

1 SLM熱源模型建立

1.1 SLM粉末模型建立

實際生產(chǎn)過程中,在重力和刮刀(或輥筒)擠壓作用下,粉末具有向著勢能最小的方向運動的趨勢。因此,采用Python軟件對粉末的堆積移動過程進行模擬,粉末粒度分布如圖1所示。粉末的堆積移動限制在由基底表面和刮刀移動平面之間,移動過程由最速下降法和坐標輪換法控制完成,最終得到的鋪粉層TC4粉末模型如圖2所示。

式中

(

)、

(

)由最小二乘法求出。式(17)所表達的熱源模型如圖8中綠色圖形所示,可知新提出的分布函數(shù)能量更為集中。

粉末模型的相對密度可用來表征粉末模型的分布信息。粉末模型的相對密度計算方法如下

(1)

式中:

為所有到圓心距離小于

的粉末;

為粉層厚度。

1.2 熱源能量追蹤記錄方法

1

2

1 光束功率計算方法

升壓調(diào)節(jié)器采用的是SP6641B，它具有很高的電池轉換效率能夠滿足多個設備的電力供應，而且還具有極低的靜態(tài)電流。

SLM過程中,照射在粉末上的激光一部分被吸收,一部分被反射出去,反射出的能量可能又被其他粉末吸收,整個能量吸收過程很復雜。為了探究激光能量在粉末床中的分布情況,本節(jié)將激光離散為若干細小的激光束,光束在粉末中的反射路徑示意圖如圖3所示,記錄并統(tǒng)計能量的吸收情況,最終得到粉末床中的能量分布。

本文中假設激光由

束小光束組成,每束小光束由一條直線來表示。激光的能量密度分布公式

為

為“做強茅臺酒，做大系列酒”，2014年12月，茅臺集團把醬香系列酒單獨從銷售公司的部門中劃撥出來，成立獨立的營銷體系，醬香系列酒銷售實現(xiàn)獨立經(jīng)營、核算、激勵的運營模式。自此，作為占據(jù)“33”部分的茅臺醬香系列酒，不再是茅臺弱小的業(yè)務板塊，而是和茅臺酒一樣，成為了推動茅臺這輛戰(zhàn)車馳騁酒業(yè)市場不可或缺的雙輪之一。

(2)

式中:

為激光功率;

為激光的束腰半徑;(

,

)為激光中心位置坐標。每條光束的功率為

(

,

)=

(

,

)

(3)

(4)

式中:

為假設的小光束數(shù);

為假設的每條光束截面積。

這里首先說明一下為什么采用多輪清點來執(zhí)行清點任務。對于無源標簽來說，標簽工作的能量需要由閱讀器發(fā)送的電磁信號來提供，由于電磁場在空間的分布不是均勻的，因此有的地方信號強，有的地方信號弱，那么標簽在信號弱的地方，就可能得不到足夠的能量工作，這樣該標簽就無法被閱讀器識別。在每一輪清點中，電磁場分布會因閱讀器發(fā)送的電磁信號參數(shù)改變而改變，因此每一輪能夠清點到的標簽和不能清點到的標簽都可能不同。采用多輪清點，可以增加覆蓋范圍內(nèi)標簽的識別率。

1

2

2 光束在球面上的反射路徑計算方法

入射光的初始點為

,

A

為向量,

A

為單位向量,光束在球面上反射的起始點

和方向

B

的求法如下

A

=

A

·

A

(5)

(6)

(7)

|

A

|=|

A

|-|

B

|

(8)

=

+|

A

|·

A

(9)

B

=

·

B

·

而五年規(guī)劃作為中國最具有代表性的“無所不包”總體政策(王紹光，2014)，對中國省級五年規(guī)劃的了解將極大地有助于我們對中國國家治理和地區(qū)治理的全面性把握。因此，我們認為，對中國省級五年規(guī)劃進行全景性的定量數(shù)據(jù)整理、分析和研究是極為必要的，將為未來中國的國家治理、政策體系乃至區(qū)情研究奠定重要的基礎。

第三，制度準備。要改革取水許可制度，建立健全水權產(chǎn)權制度、水權交易制度、水權保護制度、水資源用途管制制度、水市場監(jiān)管制度和社會監(jiān)督制度等。首先要開展水法規(guī)的制定修訂工作，尤其要修訂水法和460號令，并鼓勵地方開展水法規(guī)制定修訂工作，為水權制度建設保駕護航。

(10)

(11)

為測量粉層的相對密度,需要進行鋪粉實驗。鋪粉實驗在如圖12所示的治具上進行。治具由3片厚度60 μm的塞尺組成,1、2號塞尺堆疊在3號塞尺上,1、2號塞尺充當刮刀的導軌,保證了粉層的厚度為60 μm。1、2號塞尺之間的區(qū)域為鋪粉區(qū)域,體積

為82.8 mm

。使用刮刀以大約200 mm/s的速度模擬鋪粉。治具的質量

=2.887 5 g,鋪粉后的質量為

,(

-

)即為粉末層的質量。相對密度的計算公式為

火箭測試廠房平開大門(下簡稱大門)能夠實現(xiàn)大門的水平方向移動,從而實現(xiàn)矩形門洞的閉合與打開,是各航天發(fā)射場廣泛使用的一種特種機械設備,它具有抗沖擊能力強、工作可靠性高、制造工藝相對簡單等優(yōu)點.但是由于廠房需求不同,加之不同時期的設計能力、計算能力也千差萬別,造成發(fā)射場大門形式多樣,裝備化保養(yǎng)困難.隨著航天發(fā)射場的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)意義上粗大笨重、操作復雜、維護困難的廠房大門已經(jīng)無法適應發(fā)射場特種設備“三化”的要求,結合某發(fā)射場火箭廠房擴建工程新建大門,對發(fā)射場現(xiàn)有各種大門的功能和結構模式，進行統(tǒng)計分析和梳理分類,從大門系列化的角度,本著有限目標,重點突出的原則,研究大門的模塊化設計方法.

入射光的初始點為

,

為單位向量,光束在基體頂面上反射的起始點

、方向

計算式為

=

+

·

(12)

(13)

(14)

1

2

4 光束傳播結束的條件

式中:

、

分別為熱源在

、

方向的移動速度;

為熱源移動時間。

+1

=(1-

)

(15)

式中

為吸收率,假定為0

3

。當剩余激光能量低于1%,或者激光射出統(tǒng)計范圍時,結束當前光束傳播的追蹤。采用Python進行編程,單束激光在粉末中的傳播路徑如圖4所示。

1.2.5 熱源能量統(tǒng)計分析

將粉末所在空間拆分為5 mm×5 mm×5 mm的立方體空間,計算每個立方體內(nèi)的能量總和。采用Python進行編程,一次計算后激光能量的分布如圖5所示,圖5中紅點代表該位置所在立方體區(qū)域內(nèi)所吸收的能量,說明該區(qū)域的能量越多可以明顯看出能量集中分布在粉末的上半球輪廓,說明粉末上半球吸收的能量較多,而且分布情況嚴格依賴于粉末的排布情況,能量分布不均勻。為了提高能量分布的均勻性,應多次計算求取能量分布的平均值。經(jīng)多次測試,重復計算1 000次后,能量分布結果基本保持恒定。重復1 000次計算,能量在深度方向統(tǒng)計結果如圖6所示。由圖6可知,基體表面吸收的能量為總吸收能量的9.6%,與文獻[18]中的吸收率11.1%相近。

研究能量在深度方向的分布。由于仿真模型當中粉末層的厚度等于原始粉末的厚度乘以相對密度(相對密度的測量方法和結果由后文給出),相對密度約為50%,故用于溫度場分析的粉末模型厚度為30 μm。采用五次多項式對深度方向分布進行擬合,功率密度與深度之間關系曲線如圖7所示,可知最頂層能量分布略低,可能是因為最上層球形粉末顆粒的頂部面積較小且不能吸收到反射回來的激光能量所致。能量在

=27 μm、

=15 μm處有兩個局部較大的值,由圖7可知,能量多分布在粉末顆粒的上半球,而受粒度和粉層厚度的影響,粉末顆粒在高度方向上多以兩層進行交錯分布,在

=27 μm、

=15 μm處大致是兩層粉末上半部的位置,所以出現(xiàn)了能量分布峰值。在基底表面能量分布陡然升高,這是因為一部分初射激光束通過粉末間的縫隙直接照射到基底表面,而初射光束未經(jīng)反射蘊含的能量較多,所以基底表面能量較高。

首先，在用文獻［1］的數(shù)據(jù)對計算方法進行確認后，再對TS02采用完整檢定法獲取的數(shù)據(jù)進行處理，即按照式（4）～式（9）計算出計算用三角形各頂點的坐標；然后按照文獻［7］的四參數(shù)法進行坐標系旋轉，獲得TS02的平面位置精度SXY =0.72 mm，按照式（15）～式（17）獲得高程精度SZ =4.14 mm。

研究能量在水平方向的分布情況,每層能量的分布情況如圖8中黑點所示,可知能量分布大致滿足高斯分布。文獻[18]中提出的能量分布公式為

(16)

式中f

(z)由最小二乘法求出,傳統(tǒng)熱源模型如圖8中紅色圖形所示,可知傳統(tǒng)的熱源模型因為忽略了粉末對能量分布在水平方向的影響,得出的熱源峰值較小,有待進一步改進。

式中

(

,

,

)為原始數(shù)據(jù)。兩種方法的損失函數(shù)對比如圖9所示,可知兩種方法的損失函數(shù)變化趨勢與層能量密度變化趨勢(如圖7所示)大致相同,且本文提出的函數(shù)擬合結果具有更小的誤差,能更好地表征熱源分布情況。

(17)

觀察所有患者進行護理干預后發(fā)生便秘的情況，調(diào)查患者對護理的滿意情況，統(tǒng)計護理后便秘發(fā)生率以及護理滿意度。護理滿意度分為相當滿意、滿意、不滿意三種情況，護理滿意度=（相當滿意度+滿意度）/總例數(shù)×100%。

采用損失函數(shù)描述熱源模型的誤差,損失函數(shù)為

=∑(

(

,

,

)-

(

,

,

))

(18)

為縮小模型與實際分布之間的誤差,對熱源模型重新擬合,即

1.3 熱源模型

結合上文熱源的分析和函數(shù)的擬合結果,提出新的熱源模型,該熱源模型在深度方向和水平方向的分布情況隨深度而變化。對

(

)、

(

)進行5次多項式擬合,

(

)、

(

)與

之間的關系如圖10所示。

最終得到的熱源模型為

(

,

,

)=

(

-

)·

(19)

光束每傳播一次剩余的能量由下式確定,即

1.4 溫度場仿真

1.4.1 零件模型

采用ABAQUS軟件建立有限元模型?；w部分尺寸為1 mm×0.5 mm×0.27 mm,粉末層尺寸為1 mm×0.5 mm×0.03 mm。為提高仿真計算的精度同時減少計算量,粉末層采用均勻的正六面體網(wǎng)格進行分網(wǎng),基體采用偏置的方式進行分網(wǎng),距離加工區(qū)域越遠,分網(wǎng)的密度越小。采用Delux子程序加載本文提出的熱源模型。

1.4.2 材料參數(shù)

前言：樹木對人類生活環(huán)境具有水土保持、防風減沙等多種功能。同時，樹木也給人類的生產(chǎn)和生活帶來了大量的能源和原材料。但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，地球上越來越多的樹木資源遭到破壞，越來越多的土地稀缺。沙漠化、沙塵暴和其他壞天氣變得越來越頻繁。因此，迫切需要通過人工造林提高森林覆蓋率。然而，由于土地已經(jīng)沙漠化，森林的成功生存有很大的障礙。因此，開展人工造林技術的相關研究，可以提高人工造林成活率。

本研究所用材料為TEKNA公司的TC4粉末。采用大漢機械公司的篩粉機在氮氣保護下由300目的篩網(wǎng)篩粉。使用型號為Malvern Masterizer2000的激光粒度儀檢測粉末粒度分布,粉末粒度分布如表1所示。

TC4材料的密度

為4 450 kg/m

,隨溫度變化的熱導率和比熱容如圖11所示。

1.4.3 假設條件

粉末和基底以及環(huán)境溫度均為118 ℃,考慮熔池上表面對流對溫度場的影響,對流系數(shù)取24 W/(m

·K)

?？紤]熔池上表面輻射對溫度場的影響,忽略馬蘭戈尼對流和汽化反沖壓力的影響。

2 實驗驗證

2.1 測量粉末層相對密度

1

2

3 光束在基體頂面上的反射路徑計算方法

1.1 一般資料 選取2015年6月至2017年12月在如皋市人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科接受靜脈溶栓治療的高齡(年齡≥80歲)急性缺血性腦卒中患者40例，均符合《中國缺血性腦卒中診治指南2014》腦梗死診斷標準[7]。納入標準：(1)年齡≥80歲；(2)卒中發(fā)病至靜脈溶栓時間≤3 h；(3)存在明顯神經(jīng)功能缺損；(4)CT排除腦出血。排除標準：存在靜脈溶栓禁忌[7]。告知患者家屬相關溶栓治療的適應證、禁忌證及風險，簽署相關知情同意書。本研究得到如皋市人民醫(yī)院倫理委員會審核批準。

(20)

2.2 制備樣件

為了驗證溫度場仿真模型的準確性,制作單道熔池觀測樣件。采用易加三維公司的型號為EP-M250的選區(qū)激光熔化金屬三維打印機按照表2工藝參數(shù)進行樣件制備。

對樣件進行處理,分別依次采用200、400、800、1 600、3 000、5 000、7 000目的砂紙對垂直于樣件掃描方向的截面進行打磨。采用光學顯微鏡對處理后的截面進行觀測。

3 實驗結果分析

3.1 粉末模型驗證

TC4粉末模型與鋪粉實驗結果對比如圖13所示,圖13(a)為依照前文所述方法生成的3個粉末模型,圖13(b)為三次鋪粉實驗顯微鏡觀測照片。

由圖3可以看出,TC4粉末模型與實驗結果相似,由編程計算得粉末模型的平均相對密度為47.3%。實驗測量粉層的相對密度實驗結果如表3所示,可知實驗所得粉末層的平均相對密度約為51.2%,本文取相對密度為50%,實驗結果表明粉末模型和實際的TC4粉末具有較好的一致性。

3.2 仿真結果與分析

使用本文提出的模型和表2中的參數(shù)進行溫度場仿真,仿真結果如圖14、圖15所示,熔池寬度實驗結果與仿真結果統(tǒng)計如表4所示,連接處寬度實驗結果與仿真結果如表5所示。

由圖14(a)、14(b)和表4、表5可知,當其他參數(shù)相同,隨著功率由160 W增大到200 W,熔池最高溫度由3 266 ℃逐漸升高至3 821 ℃,熔池寬度由136 μm增大到149 μm,連接處寬度由108 μm增大到124 μm。模擬所得的熔池最高溫度高于TC4粉末的汽化溫度

,會發(fā)生熔液飛濺的情況。由于未考慮熔池的流動,熔池表面蒸發(fā)和汽化等對溫度的影響,所以本模型的最高溫度高于實際溫度

。

由圖15(a)、15(b)和表4、表5可知,當其他參數(shù)相同時,隨著速度由800 mm/s增大到1 200 mm/s的過程中,熔池最高溫度由3 926 ℃降低至3 251 ℃,熔池寬度由160 μm減小到136 μm,連接處寬度由139 μm減小到108 μm。

由圖14(c)、圖15(c)可以看出,單道熔池的兩側存在著很多鑲嵌在熔池內(nèi)的球狀粉末,熔池頂部發(fā)現(xiàn)少量的球狀粉末,可能是由于熔池流動將兩側未熔化的粉末帶到了熔池頂部。另外還可以發(fā)現(xiàn)在基體表面粗糙度較小的部位,熔池形貌較均勻,而在基體表面粗糙度較大的區(qū)域熔池形貌變化大。這是由于基體表面粗糙度較大時,峰谷之間落差較大,導致波峰波谷上分布的粉末數(shù)量差異較大,繼而波峰波谷處經(jīng)激光照射后形成的熔液體積相差較大,再加上波峰波谷之間較大的高度差促進了熔液向波谷處流動,最終致使新形成的熔池均勻性差。

由圖14(d)、圖15(d)可以看出,熔池與基底連接處多為“坡道”連接,這可能是由于熔池的流動造成的。這一原因也造成了實驗測得的連接處的寬度大于仿真預測寬度。

上述“胸椎壓縮性骨折”在精細化管理系統(tǒng)的分析中被確定為“經(jīng)濟經(jīng)營類”病種。封國生介紹，醫(yī)院將病種類型主要劃分為學術發(fā)展類、績效指標類、經(jīng)濟經(jīng)營類三大類，如器官移植等成本較高的病種，核算出來可能是賠錢的，但相關病種的難度高、科學價值高，稱之為“學術發(fā)展類”；有些病種雖然難度不高，但效益好，稱之為“績效指標類”。

本研究與Gusarov

和Tran

的預測誤差對比情況如表6所示。由表6可以看出,本研究中仿真結果與實驗結果的熔池寬度平均誤差為6.4%,連接處寬度平均誤差為9.6%。Gusarov預測的熔池寬度平均誤差為4.6%,連接處寬度平均誤差為17.8%,Tran預測的熔池寬度平均誤差為6.6%,連接處寬度平均誤差為14%?？芍狙芯克崮Ｐ驮谌鄢剡B接處的預測優(yōu)于Gusarov、Tran所提模型。

盡管本文提出的熱源模型提升了溫度場仿真的精度,但文章并沒有分析金屬粉末表層熔化后形成的金屬液膜對熱源能量分布的影響,后續(xù)將對這一問題進行進一步的研究。

4 結 論

本文采用光束追蹤法計算得到熱源在粉末中的分布情況,分別對深度方向和水平方向的熱源分布進行分析。結果表明,在深度方向熱源能量隨著深度的增加而逐漸減少熱源分布的峰值與粉末尺寸有關。在水平方向熱源能量分布近似滿足高斯分布,但與激光束腰截面處的能量密度分布相比更為集中。本文將該熱源模型用于SLM熔池輪廓預測實驗,仿真結果與實驗結果相一致,證明了熱源模型的有效性。

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