本书主要介绍增材制造产品性能表征、仿真分析方法和仿真技术在典型增材制造工艺中的应用等内容。全书共10章。第1章增材制造技术概述简介了增材制造的概念、原理、分类、优势和面临的挑战;第2章增材制造产品性能预测,分别从产品性能表征方法、产品质量控制手段和产品性能预测技术方面进行阐述;第3章增材制造技术仿真分析方法,介绍增材制造仿真软件,ANSYS宏观温度场、应力场和流场仿真分析、多尺度仿真技术和工艺参数性能优化;第4~9章分别介绍仿真技术在熔融沉积成型、光固化成型、金属粉末床熔融成型、激光直接金属堆积成型、电弧增材制造成型和电子束自由成型工艺中的应用;第10章介绍使用ANSYS Additive Science模块进行金属增材微观组织仿真分析的方法。本书具备增材制造成型过程仿真的理论深度与企业实践的实用性,配套丰富的工程实例和先进算法,适合项目化教学,重点强调培养学生解决增材制造复杂工程问题的能力。
本书可作为职业院校机械相关专业和高等院校机械工程、材料工程、智能制造工程专业教材,也可作为工程技术人员的自学用书。
为便于教学,本书配套有电子教案、助教课件、微课视频等教学资源,选择本书作为教材的教师可来电(01088379193)索取,或登录www.cmpedu.com网站,注册、免费下载。
增材制造技术可制造任意复杂形状和结构的零件,提高了设计自由度,柔性高并具有对产品及结构设计进行变化的快速响应能力,现已广泛应用于各个领域。然而,在增材制造技术快速发展的同时,缺乏增材制造产品的质量标准和体系,是限制增材制造技术发展的重要因素。增材制造涉及多学科,成型过程涉及多物理场,目前在控形控性技术的研究中,还有众多的科学问题需要探究。为提高增材制造产品的质量和成功率,需要从多尺度研究其性能预测方法。为适应增材制造行业发展的需要,编写了本书。
本书主要介绍增材制造产品的性能表征方法、通用仿真理论和仿真技术在典型增材制造工艺中的应用,重点强调培养学生解决增材制造复杂工程问题的能力,编写过程中力求体现以下的特色。
(1)体现新模式从提高学生解决复杂工程问题能力的角度出发,采用“学中做”和“做中学”的项目化教学策略,每章配置丰富的教学案例。
(2)力求先进性立足增材制造技术发展趋势和面临的挑战,多维度探索增材制造产品性能预测方法,提高其形性控制调节能力。
(3)追求实用性理论与实践相结合,旨在解决降低试错次数,提高增材制造产品质量和成功率等在增材制造发展中所面临的实际问题。
本书在内容处理上主要有以下几点说明:①以ANSYS作为主要使用的软件;②教学案例所使用的软件版本为ANSYS 18;③本书建议学时为40学时,学时分配建立见下表。
章节名称讲课学时上机学时第1章增材制造技术概述2第2章增材制造产品性能预测4第3章增材制造技术仿真分析方法6第4章熔融沉积成型技术(FDM)仿真分析42第5章光固化成型技术(SLA)仿真分析42第6章金属粉末床熔融成型技术(PBF)仿真分析42第7章激光直接金属堆积成型技术(DMD)仿真分析2第8章电弧增材制造技术(WAAM)仿真分析2第9章电子束自由成型技术(EBF)仿真分析2第10章金属增材微观组织仿真分析22
本书由安世亚太公司具有丰富教学经验和实践能力的专业教师、企业工程师们共同编写。
由于编者水平有限,书中不妥之处在所难免,恳请读者批评指正。
编者
前言
第1章增材制造技术概述1
11增材制造技术原理及分类1
12增材制造技术优势4
13增材制造技术面临的挑战6
习题6
第2章增材制造产品性能预测7
21增材制造产品性能表征7
211金属增材制造产品性能表征9
212非金属增材制造产品性能表征14
22增材制造产品质量控制手段17
23基于仿真分析的产品性能预测技术19
习题20
第3章增材制造技术仿真分析方法21
31增材制造仿真软件简介21
32ANSYS 温度场、应力场和流场分析25
321APDL语言基础知识25
322温度场分析35
323应力场分析37
324流场分析38
33ANSYS Additive Print仿真分析40
34ANSYS Workbench Additive仿真分析48
35ANSYS Additive Science仿真分析53
36增材制造工艺过程多尺度仿真57
361粉末床模拟58
362格子玻尔兹曼法62
363元胞自动机65
37增材制造工艺参数优化66
371智能优化算法66
372多目标优化算法75
习题78
第4章熔融沉积成型技术(FDM)仿真
分析79
41FDM成型工艺79
42FDM成型工艺仿真模拟80
421FDM成型过程温度场的有限元
模拟80
422FDM成型过程应力应变场有限元
模拟83
423FDM成型工艺过程仿真实例85
43FDM成型质量影响因素96
44FDM成型工艺参数优化98
习题102
第5章光固化成型技术(SLA)仿真
分析103
51SLA成型工艺103
511SLA成型工艺原理103
512SLA的特点104
513SLA快速原型制作过程104
52SLA成型工艺仿真模拟105
521模型理论基础105
522施加载荷及约束108
523仿真案例109
53SLA成型误差分析117
54工艺参数优化设计121
习题121
第6章金属粉末床熔融成型技术
(PBF)仿真分析122
61SLM成型工艺原理122
62SLM成型仿真理论基础123
63SLM成型工艺仿真过程123
631ANSYS仿真模型选取与参数
设计123
632ANSYS仿真模型建立124
633有限元模拟结果与分析129
64仿真案例134
641考虑材料属性转换的仿真分析
(ANSYS)134
642温度场与应力场仿真分析(ANSYS
Additive)148
643温度场与应力场仿真分析(EDEM
Flow 3D)155
644固有应变算法的增材工艺仿真分析
(ANSYS Additive Print)160
645热—力耦合算法的仿真分析(ANSYS
Workbench Additive)166
646考虑扫描路径的增材工艺仿真
分析(AM Prosim)169
习题171
第7章激光直接金属堆积成型技术
(DMD)仿真分析172
71DMD成型工艺原理172
72有限元热—力耦合模型173
73DMD成型工艺参数优化173
74DMD成型工艺仿真案例173
习题176
第8章电弧增材制造技术(WAAM)
仿真分析177
81WAAM成型工艺原理177
82WAAM成型尺寸精度影响因素179
83WAAM成型工艺仿真案例179
习题183
第9章电子束自由成型技术(EBF)
仿真分析184
91EBF成型工艺原理184
92EBF成型温度场和应力场分析185
习题188
第10章金属增材微观组织仿真
分析189
101模拟仿真采用材料189
102仿真参数设置190
103单道仿真模拟190
1031激光功率对单道熔池影响的仿真
计算190
1032扫描速度对单道熔池影响的仿真
计算191
104内部缺陷仿真模拟192
1041激光功率对于内部缺陷影响的
仿真计算192
1042激光扫描速度对于内部缺陷
影响的仿真计算192
1043铺粉厚度对于内部缺陷影响的
仿真计算193
1044扫描间距对于内部缺陷影响的
仿真计算193
105微观结构仿真模拟194
1051激光功率对微观结构影响的仿真
计算194
1052激光扫描速度对微观结构影响的
仿真计算197
1053基板预热温度对微观结构影响的
仿真计算197
1054铺粉厚度对微观结构影响的仿真
计算202
1055扫描间距对微观结构影响的仿真
计算202
1056起始激光角对微观结构影响的仿真
计算206
1057旋转激光角对微观结构影响的
仿真计算209
习题212
参考文献213