随着现代制造业的飞速发展，特别是在航空航天领域，对大型复杂金属构件的需求日益增长。定向能量沉积(Directed Energy Deposition, DED)技术作为一种先进的增材制造技术，以其高效、低成本和近净成形的特点，成为解决这一需求的关键手段。然而，大型复杂构件的增材制造过程中，应力变形的预测与控制仍是亟待解决的难题。本文旨在介绍一项关于大型复杂构件增材制造过程的数字化建模与仿真技术研究项目，通过科学建模与仿真分析，为高效、精确的构件制造提供技术支持。

定向能量沉积是一种实现大型金属构件高效低成本“近净成形”的先进增材制造技术，在航空航天等国家重大关键领域具有广泛应用前景。构件大型化、复杂化与多样化的发展趋势对增材制造过程中的应力变形预测与控制提出了极高要求。通过反复全尺寸沉积试验摸索工艺方案的传统模式面临着成本高昂、兼容性差等问题。沉积制造过程的数字化建模与仿真为解决沉积应力变形预测与控制难题提供了重要的技术手段。然而，大型复杂构件沉积制造应力变形的建模与仿真存在着局部-整体时空跨尺度、复杂力学行为交织作用和多工艺流程等诸多挑战。

“大型复杂构件增材-热处理-连接全流程工艺仿真关键技术及理论”项目，是华中科技大学针对国防科研需求，加强先进CAE软件研发的一项重要举措。该项目聚焦于解决大型金属构件在增材制造过程中面临的应力变形预测与控制难题，旨在通过数字化建模与仿真技术，实现高效、低成本的“近净成形”制造，为航空航天等国家重大工程领域提供强有力的技术支撑。

为此，本项目拟开展以下研究：①建立基于沉积温度区间的热-弹-粘-塑性材料本构模型和考虑非线性混合硬化与应变率依赖效应的移动沉积过程热-力学模型。②建立基于降温过程分解的固有应变获取方法与基于层间温度修正的固有应变加载方法，构建大型构件沉积工艺应力变形多局部-整体建模框架。③建立基于工艺单元的大型复杂构件沉积制造应力变形有限元建模框架与数据传递方法，实现包括沉积、热处理、线切割与连接在内的多工艺全流程数学建模。以实现大型复杂构件应力变形的预测和控制，为大型关重构件结构与工艺的设计优化提供仿真理论与技术支撑。

增材制造是一种离散分层-逐层叠加的具有变革性的成形制造技术，增材制造在满足零件整体化、结构性能一体化制造方面具有重要优势，是现代装备制造的革命性作为最早商业化的增材制造技术之一，DED已经成为第四次工业革命中的颠覆性制造技术。当前，国内外工业界普遍认为，考虑增材-热处理-焊接的DED全流程增材制造工艺仿真软件是改变“依赖试错法”现状、实现航空航天等国防科技工程领域高精密低成本制造和拓扑优化、轻量化结构设计的关键核心技术。然而，当前的主流增材制造软件主要是美国MSC公司的simufact. Additive模块，而我国迄今仍无成熟的增材制造仿真软件。

本项目紧密围绕航空航天等国家重大工程领域大型复杂关重部件的DED全流程增材制造，开展模型建立-数值实现-实验验证-仿真分析-工艺优化研究，突破该技术的数字化工艺设计的关键核心技术，形成一套支持激光/电弧/电子束为热源的大型复杂构件全流程应力变形计算的工艺仿真软件，突破我国重大工程领域增材制造工艺软件“卡脖子”的问题。

本项目有望基于现有研究基础，解决大型复杂构件考虑增材-热处理-焊接的DED全流程过程仿真的几类相关问题，并打造出完整的高质量高精度大型复杂装备的DED增材工艺问题的系统仿真与优化解决方案，并将其推广至航空航天、兵器制造、大型船舶制造等领域。研发相应的增材制造CAE软件作为国防科研的必备工具，对于缩短科研周期、降低研发费用、提高研发效率具有重要意义。

图2-2大型尾梁构件的几何与制造工艺流程

通过对构件进行分段沉积，并在每一个分段沉积后进行热处理，最后将各个分段连接在一起，达到减小应力、消除变形的目的。然而，大型复杂构件沉积制造涉及到重要应力变形行为的工艺过程繁杂，一般包含：(1) 定向能量沉积;(2) 热处理;(3) 线切割;(4) 增材连接等多个过程，而每一过程都存在热的积累。在连续复杂热历史的驱动下，结构几何、工艺参数、约束条件与材料力学响应交织作用，应力变形极易快速累积。一旦变形超出加工余量或者应力集中导致零件开裂，将直接导致沉积中止甚至失败。

传统控制金属增材制造的应力和变形仍主要依赖试错试验，对堆积工艺进行迭代优化。尤其在大型零件增材制造工艺研发时，通过单道、多道、多层多道、再到整体零件的堆积试错，整体时间长、材料成本高，限制了高能束熔丝增材制造技术的进一步应用推广。尤其是面对增材-热处理-连接等多流程增材制造，海量的试验工作工作量极大，且难以得到合适的全流程工艺窗口，导致大型复杂构件多流程制造成本极高。目前，考虑增材-热处理-连接全流程的工艺仿真软件，是改变“依赖试错法”现状、降低成本、缩短研制周期的关键核心技术，这对实现大型复杂构件全流程增材制造的高精度低成本制造，大幅拓展该技术的应用范围具有重要意义，已成为增材制造研究热点之一。

然而，大型复杂构件沉积制造是一个极端温度历史超长时间作用下的高度非线性非平衡力学演化过程。时空尺度、物理现象与工艺参数/方案的多重复杂性给应力变形行为的建模带来了巨大的挑战，主要体现在：

(1) 局部熔池与整体结构间的时间与长度多尺度。毫米级的熔池逐点长时间移动沉积形成米级构件，任意材料点在熔点上方的停留总时间仅为数秒，而大型复杂构件沉积时间往往持续数天。局部熔池与整体结构的时间与长度尺度跨度分别可达到105与103量级。因此，建立合理的时间空间多尺度策略并实现局部-整体关系的准确描述至关重要。

(2) 瞬态非平衡热过程驱动下多种力学响应与行为的交织作用。沉积瞬态热过程具有高温、高热梯度(约104~105 ℃/m)与高冷却速率(约101~104 ℃/s)的特点。这引起了包括塑性与粘性在内的多种强非线性材料力学响应。应力演化行为中表现出硬化与松弛等不同现象，导致了复杂的变形历史与高度不均匀的残余应力变形分布。确定合理的假设，实现关键物理因素的建模具有重要意义。

(3) 沉积-热处理-线切割-连接等多工艺流程的复杂性。基于设备尺寸限制或者工艺设计要求，大型复杂构件沉积过程中往往需要热处理工艺甚至进行分段沉积再连接。这引入了包括热处理、线切割与连接在内的多种工艺，不同工艺物理过程存在显著差异，约束等工艺参数/条件动态变换，给全流程建模与仿真带来了挑战。

随着增材制造技术的不断发展，零件/结构逐渐向大型化、复杂化和多样化发展。然而，这一趋势也带来了诸多技术挑战，其中最为突出的便是应力变形的控制与预防。大型复杂构件在沉积制造过程中，由于材料的逐层累加和局部高温的反复作用，极易产生应力集中和变形。这些应力变形如果得不到有效控制，将直接影响构件的精度和可靠性，甚至导致制造失败。

针对上述关键问题与挑战，本项目基于模型建立-数值实现-实验验证-仿真分析的思路，通过建立沉积温度区间的热-弹-粘-塑性材料本构模型，实现移动沉积过程瞬态热-力学行为的准确模拟，揭示连续中温循环下沉积应力变形的演化机制;研发适用于沉积工艺的固有应变方法，构建以固有应变为桥梁的多局部-整体建模框架，实现大型构件沉积应力变形的准确高效预测;面向大型复杂构件分段沉积制造全流程工艺，提出包含沉积、热处理、线切割与增材连接在内的多工艺过程的数学模型，实现全流程应力变形的可靠预测，阐明典型复杂构件全流程应力变形的演化规律与机制；同时，研发出相关的增材仿真软件，并在典型样件上进行应用验证，为我国航空航天领域关键零部件的研发提供基础的仿真工具。

本项目所涉及的基本概念及内涵如下：

(1)大型复杂构件：米级以上的尺寸且具有薄厚不均或其他复杂拓扑几何结构而难以整体一次成形的构件。

(2)定向能量沉积增材制造技术：定向能量沉积(Directed energy deposition, DED)增材制造技术使用激光、电子束或电弧为热源，熔化同步送进的粉末或丝材并形成熔池，如图3-3所示，随着能束沿着预定的扫描路径移动，熔池凝固使材料以逐道逐层的形式按照时间顺序堆积成目标形状。根据能束类别与送进材料形状的不同，DED可以分为激光同轴送粉沉积(Direct metal deposition, DMD)、激光熔丝沉积(Laser metal deposition, LMD)、电子束熔丝沉积(Electron beam additive manufacturing, EBAM)和电弧熔丝沉积(Wire plus arc additive manufacturing, WAAM)等技术类型。

图3-3 定向能量沉积技术示意图

(3)热弹粘塑性：采用弹粘塑性理论构建的一种基于沉积温度区间的热-弹-粘-塑性材料本构模型。

(4)增材制造固有应变新理论：围绕大型构件沉积工艺应力变形高效可靠建模与仿真，提出了一种基于固有应变理论的固有应变方法。

(5)增材制造全流程工艺：大型复杂构件的工艺方案通常采用分段沉积并在沉积后接续热处理工艺的方式，最后再采用增材连接工艺将各个分段连接在一起，其工艺/工序包含沉积、夹具移除、线切割、热处理与增材连接等。

面向航空航天领域大型复杂关键增材制造构件快速研制需求，开展构件增材过程残余应力仿真优化设计技术基础研究，提出基于弹粘塑性理论的定向能量沉积过程热-力学建模方法，厘清沉积过程中塑性与粘性力学行为的贡献，为大型构件沉积应力变形的建模打下重要的理论与方法基础。开展基于固有应变理论的大型构件沉积工艺应力变形建模研究，为大型构件沉积应力变形的预测与优化提供具有工程应用潜力的重要手段。研发大型构件分段沉制造全流程应力变形的仿真技术，提升我国大型复杂构件增材制造过程残余应力仿真优化设计技术水平。

总体技术路线如图4-1所示：

(1)基于弹粘塑性理论的定向能量沉积过程热-力学建模研究

针对单一本构模型难以考虑不同沉积问题区间材料本构响应的差异，采用弹粘塑性理论构建基于沉积温度区间的热-弹-粘-塑性材料本构模型，建立定向能量沉积过程的热-力学模型。建立强非线性热-力学模型的数值求解方法，开展模型与方法的有限元数值实现，搭建有限元求解器。开展材料本构模型的仿真验证与数值求解关键参数的数值收敛性分析。进行典型沉积案例的仿真并与实验结果对比，研究沉积过程中热-力学演化规律与机制，分析粘性行为对应力变形演化作用的大小与沉积热历史的关联性。

• 考虑移动能量输入的沉积过程瞬态传热问题建模

• 基于弹粘塑性理论的沉积过程力学问题建模

• 移动沉积过程热-力学模型的数值求解方法

(2)基于固有应变理论的大型构件沉积工艺应力变形建模研究

基于固有应变理论，建立以固有应变为信息传递桥梁的跨尺度问题建模思路，分析非平衡沉积过程中固有应变的确切来源与固有应变形成的关键阶段。构建适用于沉积工艺的固有应变方法，考虑多道次沉积与逐层沉积对固有应变的影响。建立大型构件沉积工艺应力变形多局部-整体建模框架，提出有限元数值实现方法。开展典型的小规模沉积案例的仿真验证与分析，验证所提出方法的有效性与可靠性。开展多层多道沉积案例与零件的实验验证，与其他固有应变方法和热-力学模拟方法比较，分析讨论所提出方法的准确性与计算效率。开展大型弧形梁构件沉积应力变形的建模与仿真优化，并与实际样件变形测量结果比较，验证所提出的建模框架。

• 非平衡沉积过程中固有应变的形成机制

• 沉积热历史对固有应变的影响机理

• 基于沉积工艺固有应变方法的多局部-整体仿真框架

(3)大型构件分段沉积制造全流程应力变形的仿真技术

围绕大型复杂构件分段沉积制造多工艺流程及其关键物理过程，确定基础制造工艺单元类型，建立基于工艺单元的有限元框架与工艺单元间的数据传递方法。开展包含沉积、热处理、线切割及增材连接等多个工艺在内的制造全流程数学建模。建立大型尾梁构件分段制造过程的建模流程，开展全流程应力变形的仿真分析研究。

• 分段沉积-热处理-增材连接制造流程及其关键物理过程分析

• 基于工艺单元的大型构件分段沉积制造全流程有限元建模框架

• 工艺单元间状态变量的数据传递算法

(4)大型构件分段沉积制造工艺优化与实验验证

在前文算法的基础上，完成大型复杂构件分段沉积制造过程仿真软件开发，实现对大型复杂构件沉积制造过程应力变形的精确快速仿真。根据大型尾梁构件等零部件增材制造的实际生产需求，改造实验设备，购买材料等，并设计安排设备的安装、调试，保证搭建的实验平台可以完成不同尺寸、不同形状的复杂构件沉积制造。在完成全流程工艺参数优化的基础上，进行大型复杂构件分段沉积制造。通过将仿真计算结果与实验数据进行对比，验证所提出方法与模型的可靠性。

• 大型复杂构件分段沉积制造过程仿真软件开发

• 大型复杂构件分段沉积制造实验平台搭建

• 工艺单元间状态变量的数据传递算法

本项目提出的基于弹粘塑性理论的沉积过程力学建模方法和基于固有应变理论的应力变形建模方法，在理论和方法上具有显著的创新性。研究成果有望突破我国增材制造工艺仿真软件的“卡脖子”问题，提升大型复杂构件增材制造的数字化设计水平。在应用前景方面，本项目研发的仿真软件有望广泛应用于航空航天、兵器制造、大型船舶制造等领域，为缩短科研周期、降低研发费用、提高研发效率提供重要工具。