一个无网格的计算框架,用于研究冷喷涂增材制造,包括大量具有不同特性的粉末颗粒
Z L Zhang1, M Afrasiabi2,3, M Bambach4
1Advanced Manufacturing Lab, ETH Zurich, Zürich, Switzerland. zhilzhang@ethz.ch.
Scientific reports
|May 18, 2024
概括
本研究引入了一种增强的光滑粒子水力学 (SPH) 方法,用于冷喷涂增材制造 (CSAM) 的大规模模拟. 该方法准确地模拟了粉末的行为和粘合机制,为工程应用提供了对孔形成的见解.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 计算工程 计算工程
- 添加剂制造 添加剂制造 添加剂制造
背景情况:
- 冷喷增材制造 (CSAM) 是部件制造和维修的一个有前途的技术,通过避免与融相关的问题,比基于融合的方法提供优势.
- 模拟整个CSAM过程,特别是具有不同粉末特性的大规模模拟,带来了重大的计算挑战.
- 光滑粒子水力学 (SPH) 方法的拉格朗日和无网格性质使其非常适合模拟CSAM所涉及的大变形.
研究的目的:
- 开发和验证一种增强的SPH方法,用于对整个CSAM过程进行大规模的数值模拟.
- 研究粉末大小,形态和分布对粘合机制和涂层形成的影响.
- 分析孔隙形成机制,并为优化CSAM流程提供见解.
主要方法:
- 开发一种增强的SPH方法,其中包括一种改进的材料模型,用于应变速率硬化.
- 实施一个消息传递接口 (MPI) 框架,以实现大规模模拟高达1000万个SPH粒子.
- 对各种粉末速度的实验数据进行模拟结果与实验数据的验证.
主要成果:
- 成功大规模模拟整个CSAM过程,包括现实的粉末尺寸和分布.
- 对不同粉末大小和形态的粘合机制进行比较分析,确定四个阶段的涂层过程.
- 精确预测粉末的行为和结合,并深入了解毛孔形成机制.
结论:
- 增强的SPH方法为大规模CSAM模拟提供了强大而准确的工具.
- 了解粉末特性和粘合阶段对于控制涂层质量和尽量减少缺陷至关重要.
- 这项研究为推进CSAM技术在实际工程应用中提供了宝贵的见解.
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