1. 研究目的与意义（文献综述）

金属零件的激光快速成形是1995年美国能源部为制造小批量核武器零件而开始发展的先进制备技术。该技术在无需任何硬质工模具的情况下,通过高功率激光熔化同步输送的各种金属粉末,逐点逐层堆积来成形全致密的金属零件,激光束或沉积基板的运动通过零件实体cad模型经切片分层处理后形成的二维平面信息来控制。

选择性激光熔化（selective laser melting, slm）技术是目前金属增材制造领域最复杂最前沿的制造工艺，是在选择性激光烧结(sls)基础上发展起来的一种直接金属成形技术^[1]，受到了广泛关注。与同样基于激光为光源的选择性激光烧结（selective laser sintering, sls）技术相比，选择性激光熔化技术利用激光直接熔化高熔点金属粉末产生冶金结合，加工材料中不需要添加任何的低熔点或者粘结剂等中间物质^[2,3]。因此，slm 技术能加工出可直接使用的高性能功能金属零部件，其设计自由度高、反映速度快，适合于加工单件小批量、形状复杂^[4]、机械性能良好、高精度、致密度近100%的金属零件^[5,6]。

目前，slm 技术的成形设备和材料价格较高，依赖试验探究优化成形工艺参数的经济和时间成本都较高。利用计算机的数值模拟方法研究 slm 技术的成形机理可以有效的克服试验的弊端，提高工艺参数优化效率。采用数值模拟为指导，试验来验证相结合的方式是 slm 领域研究者们普遍推崇的一种研究方法。目前，国内外学者已利用计算机模拟仿真技术对增材制造技术的成形机理进行了一定的研究。

2. 研究的基本内容与方案

采用ansys软件的高级分析技术中的生死单元技术，编写求解激光快速成形金属薄壁零件三维瞬态温度场的有限元程序^[13,14]。首先,建立有限元模型，然后将金属薄壁零件部分的单元杀死，将激光束扫描到的单元重新激活以实现与实际快速成形过程相一致的有限元的温度场计算模型。

在slm成形过程中，只有光斑大小区域的粉末材料被瞬间熔化和凝固，因此slm技术加工出来的金属零件有较好的尺寸精度和力学性能；然而，局部高温使得金属零件在熔池周围形成很大的温度梯度，从而产生瞬态热应力。部分热应力会随着热循环的进行得到释放，但大部分热应力被遗留下来，形成残余应力。瞬态热应力是使零件在成形过程中产生裂纹和翘曲变形的主要原因，影响零件的成形质量，严重时甚至能导致成形过程被迫终止。如果通过对温度场、应力场和残余应力的研究，利用工艺参数的优化实现对其有效控制将有助于提高成形件的尺寸精度，这样才能有效的促进选择性激光熔化技术的发展^[15]。

目前国内外探讨扫描方式对 slm技术温度场和应力场的影响的研究取得了一些进展，但尚未透彻，为了避免实验研究带来的大量人力、财力和时间成本，同时克服其可重复性差的缺点。本人拟采用有限元数值模拟的方法，建立基于过程工艺参数和材料热物性参数的选择性激光熔化成形过程的数值分析模型，首先对选择性激光熔化成形过程的温度场进行分析，在温度场分析的基础上进行热应力求解与分析，最后分析应变场。通过应变场的分析结果确认分析模型。利用分析模型，分析指定截面下的不同扫描路径对温度的影响，依此优化扫描方式以有效的减小薄壁零件slm 加工中的翘曲变形现象。

3. 研究计划与安排

3.2-3.20：完成开题报告和英文文献翻译

3.20-3.31：完成slm过程中薄壁零件有限元分析的总体方案设计

4.1-4.15：完成模型建立，数据初步计算与整理

4. 参考文献（12篇以上）

[1]m.matsumoto,m.shiomi,k.osakadaet al.finite element analysis of single layer forming on metallic powder bed inrapid prototyping by selective laser processing [j].international journal ofmachine tool amp; manufacture 42(2002): 61-67.

[2]nikolayk.tolochko,maxim k.arshinov,andrey v.gusarov,et al.mechanisms of selective lasersintering and heat transfer in ti powder [j]. rapid prototyping journal, 2003,9(5): 314–326.

[3]zeng k,pal d,stuckerb. a review of thermal analysis methods in laser sintering and selective laser melting [c]. 23rd annual international solid freeformfabrication symposium-an additive manufacturing conference.austin,texas,usa.2012:796-814.