(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利(10)授權(quán)公告號CN115625894B(65)同一申請的已公布的文獻(xiàn)號申請公布號CN115625894A(43)申請公布日2023.01.20(73)專利權(quán)人南京航空航天大學(xué)地址210016江蘇省南京市江寧區(qū)將軍大道29號(72)發(fā)明人占小紅武林闊王磊磊高轉(zhuǎn)妮審查員張廣耀B33Y10/00(2015.01)(54)發(fā)明名稱一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命預(yù)測方法本發(fā)明公開了一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命預(yù)測方法，該方法使用同軸損傷探測設(shè)備對增材過程中的缺陷進(jìn)行檢測、壽命預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行增材件的壽命預(yù)測，使用實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行增材過程控制。同軸設(shè)備能夠獲取已成形系統(tǒng)能夠進(jìn)行缺陷三維成像及有限元分析增材件壽命；實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)激光增材過程工藝參數(shù)。該方法實現(xiàn)在激光增材制造過程中進(jìn)行增材件壽命預(yù)測并通過實時改變激光功率、打開同軸損傷探測設(shè)打開同軸損傷探測設(shè)備，將設(shè)備與壽命預(yù)測系統(tǒng)鏈接以保證數(shù)據(jù)成功傳輸建立網(wǎng)格模型探測器獲取增材件內(nèi)增材件模型導(dǎo)入壽命預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫搜索相應(yīng)材料參數(shù)并將其賦予到有限元模型激光頭對焦，設(shè)置激光功率、掃描速度、送料速度代數(shù)迭代法獲取缺陷的大小以及三維位置信息以數(shù)字信號傳輸?shù)綁勖A(yù)測系統(tǒng)部缺陷投影的位置坐標(biāo)建立激光增材件幾何模型21.一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命預(yù)測方法，其特征在于，該方法使用同軸損傷探測設(shè)備、壽命預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行增材件的壽命預(yù)測，使用實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行增材過程所述同軸損傷探測設(shè)備能夠獲取已成形沉積層中的氣孔、未熔、裂紋缺陷信息，包括X射線發(fā)射探頭及探測器，同軸損傷探測設(shè)備X射線光源為點光源，當(dāng)X射線遇到缺陷時度會發(fā)生變化，探測器獲取不同位置點光源照射時穿透的X射線強(qiáng)度及增材件內(nèi)部缺陷投影的位置坐標(biāo)，經(jīng)過代數(shù)迭代法獲取缺陷的大小以及三維位置信息，將其以數(shù)字信號傳輸?shù)綁勖A(yù)測系統(tǒng)；所述壽命預(yù)測系統(tǒng)能夠進(jìn)行缺陷三維成像及有限元分析增材件壽命，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)料屬性因素綜合分析進(jìn)行增材件缺陷出現(xiàn)可能性預(yù)測，壽命預(yù)測系統(tǒng)能夠根據(jù)同軸損傷探測設(shè)備傳遞的數(shù)字信號在導(dǎo)入的有限元模型中進(jìn)行圖像顯示，通過去除相應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格以模擬缺陷在增材件中的存在，并且預(yù)測在目前的工藝參數(shù)下整體增材件的缺陷分布，通過邊界條件，模擬增材件真實服役過程，進(jìn)行有限元分析計算氣孔、裂紋作用下材料失效時間從而對增材件壽命預(yù)測，將壽命信息輸出至顯示器以及以數(shù)字信號形式傳輸給實時調(diào)節(jié)系所述實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)激光增材過程工藝參數(shù)，接收壽命預(yù)測系統(tǒng)信息，判斷在當(dāng)前的工藝參數(shù)下增材件壽命是否滿足實際服役所需壽命，如果是，則保持當(dāng)前的激光器輸出功率、激光頭掃描速度、送料裝置送料速度，如果不滿足，判斷此時熱輸入過大還并相應(yīng)改變激光功率、掃描速度、送料速度參數(shù)，每次改變目前參數(shù)的5%,進(jìn)行過程調(diào)節(jié)，減少缺陷，延長增材件壽命，之后同軸損傷檢測系統(tǒng)進(jìn)行損傷檢測，壽命預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行壽命預(yù)測判斷當(dāng)前工藝參數(shù)下是否滿足需求；包括步驟如下：(1)將增材件數(shù)字模型及材料導(dǎo)入壽命預(yù)測系統(tǒng)中，壽命預(yù)測系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫獲取所用材料的物理性能參數(shù)；(2)在激光增材制造過程中使用同軸損傷探測設(shè)備獲取已成形沉積層中氣孔、未熔、裂紋缺陷信息；(3)壽命預(yù)測系統(tǒng)接收缺陷信息并將其映射到增材件模型內(nèi)部，預(yù)測整體增材件內(nèi)部缺陷，通過改變初始條件及邊界條件模擬分析增材件在服役環(huán)境下的壽命；(4)實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)獲取壽命預(yù)測系統(tǒng)傳遞的信息并對激光增材制造過程目前工藝參數(shù)的壽命。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述的增材件模型為根據(jù)增材件的實際結(jié)構(gòu)尺寸，在建模軟件中進(jìn)行幾何模型構(gòu)建，并對增材件幾何模型中增材區(qū)、熱影響區(qū)及基板區(qū)采用疏密過渡的網(wǎng)格劃分方式在網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以保證計算的效率及精確度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命預(yù)測方法，其特3征在于，材料數(shù)據(jù)庫通過實驗測量、文獻(xiàn)收集、數(shù)據(jù)輸入以獲取材料參數(shù)，數(shù)據(jù)庫中包含密料、陶瓷材料、復(fù)合材料、梯度材料，根據(jù)輸入的材料種類從數(shù)據(jù)庫中搜索相應(yīng)的材料物理性能參數(shù)并將其傳輸給壽命預(yù)測系統(tǒng)。4技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明設(shè)計激光增材制造領(lǐng)域，具體地，是一種針對激光增材制造壽命預(yù)測方法。背景技術(shù)[0002]增材制造技術(shù)作為一種新興快速成型技術(shù)，相比于傳統(tǒng)等材、減材技術(shù)具有效率熱源能量集中，成形效果好、使用材料廣泛、無需真空環(huán)境等優(yōu)點被作為熱源廣泛應(yīng)用于增材制造技術(shù)中。[0003]但在激光增材制造過程中，制造的零件常會有氣孔、熔合不良以及裂紋等缺陷，這些缺陷對零部件的服役壽命有著至關(guān)重要的影響。在氣孔缺陷檢測方面，通常需要將試件加工完成后采用金相觀察、超聲檢測、X射線檢測或者工業(yè)CT檢測的方法來進(jìn)行，這些后驗檢測方法大多需要加工制造完成后進(jìn)行，如檢測出氣孔缺陷則這些試件需進(jìn)行報廢處理，這往往會浪費大量資源。對增材件壽命預(yù)測通常都是在增材件制造出后進(jìn)行，不能做到在激光增材過程中進(jìn)行壽命預(yù)測，且目前壽命預(yù)測的研究集中于傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，在增材制造領(lǐng)域具有很高的工程應(yīng)用價值。使用計算機(jī)模擬激光增材過程缺陷產(chǎn)生并進(jìn)行壽命預(yù)測以及增材過程實時調(diào)控是應(yīng)用于工程實際較好的途徑。[0004]目前缺失在增材制造過程中進(jìn)行增材件壽命預(yù)測并進(jìn)行過程控制以提高壽命的方法。發(fā)明內(nèi)容[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命預(yù)測方法。該方法根據(jù)激光增材制造過程中同軸損傷探測設(shè)備傳遞的增材件缺陷信息進(jìn)行三維缺陷重構(gòu)，并且基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合缺陷產(chǎn)生位置、散熱條件、熱輸入、裝夾條件、材料屬性因素預(yù)測在目前的工藝參數(shù)下整體增材件的缺陷分布，通過設(shè)置初始條件和析計算以進(jìn)行增材件壽命預(yù)測并通過實時傳輸電信號給激光器、控制柜、送料器改變激光功率、掃描速度、送料速度工藝參數(shù)以減小增材件缺陷發(fā)生的可能性，延長增材件的壽命。[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明中提及的一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命[0007](1)將增材件模型及材料導(dǎo)入壽命預(yù)測系統(tǒng)中，壽命預(yù)測系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫獲取所用材料的物理性能參數(shù)；[0008](2)在激光增材制造過程中使用同軸設(shè)備獲取已成形沉積層中氣孔、未熔、裂紋缺陷信息；[0009](3)壽命預(yù)測系統(tǒng)接收缺陷信息并將其映射到增材件模型內(nèi)部，預(yù)測整體增材件內(nèi)部缺陷，通過改變初始條件及邊界條件模擬分析增材件在服役環(huán)境下的壽命；[0010](4)實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)獲取壽命預(yù)測系統(tǒng)傳遞的信息并對激光增材制造過程工藝參數(shù)5[0011]優(yōu)選地，步驟(1)所述的增材件模型為根據(jù)增材件的實際結(jié)構(gòu)尺寸，在建模軟件中進(jìn)行幾何模型構(gòu)建，并對增材件幾何模型中增材區(qū)、熱影響區(qū)及基板區(qū)采用疏密過渡的網(wǎng)格劃分方式在網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以保證計算的效率及精確度。[0012]優(yōu)選地，步驟(1)所述的材料數(shù)據(jù)庫通過實驗測量、文獻(xiàn)收集、數(shù)據(jù)輸入以獲取材中搜索相應(yīng)的材料物理性能參數(shù)并將其傳輸給壽命預(yù)測系統(tǒng)。[0013]優(yōu)選地，步驟(2)所述的同軸損傷探測設(shè)備包括X射線發(fā)射探頭及探測器，同軸損傷探測設(shè)備X射線光源為點光源，當(dāng)X射線遇到缺陷時，其強(qiáng)度會發(fā)生變化，探測器獲取不同位置點光源照射時穿透的X射線強(qiáng)度及增材件內(nèi)部缺陷投影的位置坐標(biāo)，經(jīng)過代數(shù)迭代法獲取缺陷的大小以及三維位置信息，將其以數(shù)字信號傳輸?shù)綁勖A(yù)測系統(tǒng)。[0014]優(yōu)選地，步驟(3)所述的壽命預(yù)測系統(tǒng)以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為核心根據(jù)大量實驗增材件缺陷出現(xiàn)可能性預(yù)測，壽命預(yù)測系統(tǒng)能夠根據(jù)同軸損傷探測設(shè)備傳遞的數(shù)字信號在導(dǎo)入的有限元模型中進(jìn)行圖像顯示，通過去除相應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格以模擬缺陷在增材件中的存在，并且預(yù)測在目前的工藝參數(shù)下整體增材件的缺陷分布，通過設(shè)置溫度、壓力、濕度初始條件，模擬增材件在實際應(yīng)用中的服役環(huán)境，通過設(shè)置熱輸入、力邊界條件，模擬增材件真實服役過程，進(jìn)行有限元分析計算氣孔、裂紋作用下材料失效時間從而對增材件壽命預(yù)測，將壽命信息輸出至顯示器以及以數(shù)字信號形式傳輸給實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)。[0015]優(yōu)選地，步驟(4)所述的實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)接收壽命預(yù)測系統(tǒng)信息，判斷在當(dāng)前的工藝參數(shù)下增材件壽命是否滿足實際服役所需壽命，如果是，則保持當(dāng)前的激光器輸出功率、激光頭掃描速度、送料裝置送料速度，如果不滿足，判斷此時熱輸入過大還是過小，并向激光件壽命，之后同軸損傷檢測系統(tǒng)進(jìn)行損傷檢測，壽命預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行壽命預(yù)測判斷當(dāng)前工藝參數(shù)下是否滿足需求。[0017](1)本發(fā)明實現(xiàn)在激光增材制造過程中對增材件氣孔、裂紋缺陷進(jìn)行探測及三維[0018](2)本發(fā)明能夠在激光增材制造過程中進(jìn)行整體增材件在服役環(huán)境中的壽命預(yù)[0019](3)本發(fā)明能夠在激光增材制造過程中進(jìn)行過程調(diào)控，通過實時改變激光功率、掃描速度、送料速度工藝參數(shù)減小增材件缺陷發(fā)生的可能性，延長增材件的壽命。附圖說明[0021]圖2為激光增材制造壽命預(yù)測系統(tǒng)的流程示意圖。[0022]圖3為激光增材制造實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流程示意圖。6具體實施方式[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種基于同軸損傷探測的激光增材制造壽命預(yù)測方法作具體說明。[0024]本發(fā)明方法工作流程如圖1-圖3所示。[0026]步驟1建立激光增材件幾何模型，具體步驟包括根據(jù)增材件的實際結(jié)構(gòu)尺寸，在有限元建模軟件中進(jìn)行幾何模型構(gòu)建；[0027]步驟2建立網(wǎng)格模型，對增材件幾何模型中增材區(qū)、熱影響區(qū)及基板區(qū)采用疏密過渡的網(wǎng)格劃分方式在有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以保證計算的效率及精確度；[0028]步驟3將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到壽命預(yù)測系統(tǒng)，并在壽命預(yù)測系統(tǒng)中輸入所用材料種類，參數(shù)并將其賦予到有限元模型；同軸損傷探測設(shè)備，將設(shè)備與壽命預(yù)測系統(tǒng)鏈接以保證數(shù)據(jù)成功傳輸；[0030]步驟5進(jìn)行增材制造加工，同軸損傷探測設(shè)備跟隨激光頭移動并對已成形沉積層進(jìn)行損傷探測，探測器獲取不同位置X射線點光源照射時穿透的X射線強(qiáng)度及增材件內(nèi)部缺陷投影的位置坐標(biāo)，經(jīng)過代數(shù)迭代法獲取缺陷的大小以及三維位置信息，將其以數(shù)字信號傳輸?shù)綁勖A(yù)測系統(tǒng)。[0031]圖2為激光增材制造壽命預(yù)測系統(tǒng)的流程示意圖。[0032]步驟6壽命預(yù)測系統(tǒng)能夠根據(jù)同軸損傷探測設(shè)備傳遞的數(shù)字信號在導(dǎo)入的有限元模型中進(jìn)行圖像顯示，通過消除相應(yīng)區(qū)域網(wǎng)格的形式進(jìn)行缺陷重構(gòu)；[0033]步驟7壽命預(yù)測系統(tǒng)以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為核心對缺陷產(chǎn)生位置、散熱條件、熱輸入、裝夾條件、材料屬性因素綜合分析預(yù)測在當(dāng)前工藝參數(shù)下整體增材件缺陷分布信息，并消去相應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格；[0034]步驟8在壽命預(yù)測系統(tǒng)輸入增材件在真實服役環(huán)境中的溫度、壓力、濕度信息進(jìn)行初始條件設(shè)置，根據(jù)真實服役情況進(jìn)行溫度、壓力邊界條件設(shè)置，進(jìn)行有限元分析計算氣孔、裂紋作用下材料失效時間從而對增材件壽命預(yù)測，將壽命信息輸出至顯示器以及以數(shù)字信號形式傳輸給實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)。[0035]圖3為激光增材制造實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流程示意圖。[0036]步驟9實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)接收壽命預(yù)測系統(tǒng)信息，判斷在當(dāng)前的工藝參數(shù)下增材件壽命是否滿足實際服役所需壽命，如果是，則保持當(dāng)前的激光器輸出功率、激光頭掃描速度、料速度參數(shù)，每次改變程度為當(dāng)前參數(shù)的1%,進(jìn)行過程調(diào)節(jié)，減少缺陷，延長增材件壽命；[0037]步驟10同軸損傷檢測系統(tǒng)進(jìn)行損傷檢測，壽命預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行壽命預(yù)測判斷當(dāng)前工藝參數(shù)下是否滿足需求，如不滿足則再不斷進(jìn)行工藝參數(shù)修正。[0038]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。打開同軸損傷探測設(shè)打開同軸損傷探測設(shè)備，將設(shè)備與壽命預(yù)測系統(tǒng)鏈接以保證數(shù)據(jù)成功傳輸建立網(wǎng)格模型探測器獲取增材件內(nèi)增材件模型導(dǎo)入壽命預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫搜索相應(yīng)材料參數(shù)并將其賦予到有限元模型激光頭對焦，設(shè)置激光功率、掃描速度、送料速度代數(shù)迭代法獲取缺陷的大小以及三維位置信息以數(shù)字信號傳輸?shù)綁勖A(yù)測系統(tǒng)建立激光增材件幾何模型部缺陷投影的位置坐標(biāo)圖1壽命預(yù)測系統(tǒng)壽命預(yù)測系統(tǒng)缺陷在有限元模型中圖像顯示，消除相應(yīng)區(qū)域網(wǎng)格的進(jìn)行缺陷重構(gòu)以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為核心根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練熱輸入預(yù)測在當(dāng)前工藝參數(shù)布信息，并消去相應(yīng)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行初始條件設(shè)置壓力根據(jù)真實服役情況進(jìn)行溫度、壓力邊界條件設(shè)置有限元分析計算氣孔、裂紋作用下材料失效時間從而對增材件壽命預(yù)