论文复现COMSOL热流耦合SLM激光熔覆过程熔池形态演变仿真-附视频教程

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导读：前不久，笔者原创技术文章激光熔池多项技术革新！COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真细节公开，以论文复现全面讲解毫秒激光打孔熔池演化的 COMSOL仿真技术。而本文笔者继续通过论文复现的模式给读者朋友讲解COMSOL热流耦合激光熔覆仿真技术，详情关注我独家发布在仿真秀官网的视频教程。

众所周知，SLM 激光熔覆仿真的核心意义在于通过数字化手段实现熔池形态演变的可视化与可预测，既破解了实际加工中熔池瞬态变化难监测、多物理场耦合机制难解析的痛点，为科研人员提供论文复现、课题创新的标准化方法与数据支撑，又能帮助企业精准优化激光功率、扫描速度等工艺参数，大幅降低试错成本、缩短研发周期，同时助力学习者构建多物理场耦合仿真能力，推动 SLM 技术在高端制造、新材料应用等领域的高效落地与创新升级。

 

01    

SLM激光选择性融覆原理    

下图长方体为板材，现需在板材蓝色 区域进行选择性激光熔覆，从而改变选定区的材料特性。本次仿真所施加的激光功率使得板材最高温度不超过其蒸发温度，因此只会出现固液两相，不考虑蒸发所造成的损失，最终得出板材的温度分布及熔池形态分布。参考论文为武汉大学SCI一区的《Evolution of molten pool during selective laser melting of TI-6AL-4V》

 

 

02    

COMSOL激光熔覆仿真步骤流程    

 

第1步：分析物理现象与选择仿真模块  

分析物理现象为非稳态热固体相变传热，存在流体流动，且需捕捉流体区域的形态变化，因此选择固体传热/流体传热+层流模型+ALE动网格的方法进行仿真模块，研究选择瞬态。最终得出下面右图所示场景，红色方框即为求解器模块。

 

 

 

第2步：几何建模简化  

考虑到三维模型的左右面为对称，因此简化为一半进行仿真即可，这样可以大大节省施加，几何建模如下：

 

 

第3步：网格划分  

采用自由三角形网格自动划分网格，并对选择区域进行局部加密：

 

 

第4步：模型设置  

4.1 流体传热模块设置

该模块主要求解能量方程，因此核心是设置相变、热源、温度边界条件。

（1）高斯热源设置如下，同时在此截面增加与环境的散热及辐射传热，并作用在顶部区域

 

（2）左右前下四个面设置与恒温温度400K

 

（3）设置固液相变模型如下，采用等效比热容法，输入融化温度，温度间隔及潜热量大小。

 

4.2 层流模块设置

该模块主要求解N-S方程，因此核心是设置体积力，在此案例中，反冲压力及马兰戈尼力成为了主导力。

反冲压力设置如下：通过使用函数加载在界面上

 

马兰戈尼力则通过多物理场耦合模块添加，因马兰格尼力是与温度及表面张力有关的力，因此必须采用耦合模块，表面张力系数采用论文提供的参数

 

4.3 动网格设置

外部分的作用主要是追踪熔池的变形，通过对板材各个界面的运动控制实现熔池界面的控制

 

 

第5步：研究设置  

根据论文选定时间单位为us,考虑到最终的求解时间为5000us,因此将时间步为40us,计算到5000us,且设置激光开关的时间控制函数，在1000us处停止，随后进行自然冷却。

 

 

第6步：后处理  

（1）不同时刻的温度云图：

 

论文数据如下，仿真结果基本与论文相当，

熔池形状对比

 

（2）论文与仿真对比如下

仿真

论文

结论：通过COMSOL利用固体传热+层流+相变+动网格的的方法对熔池形态进行仿真，相对于水平集法+热焓空隙法的方法进行气液固相的捕捉，可以大大节省计算时间。本教程模型已经收录到我视频课程，欢迎订阅，具体见下文。

03    

我的COMSOL激光熔覆仿真教程    

为了帮助用户更高效的掌握COMSOL激光熔覆仿真技术，《基于COMSOL热流耦合SLM激光熔覆过程熔池形态演变仿真技术全解析》教程旨在帮助具备 COMSOL 基础与相关理论功底的科研、企业人员及进阶学习者，以 SCI 一区论文为依托，系统掌握 SLM 激光熔覆熔池形态演变仿真的原理与全流程实操技能，破解复杂场景仿真难题。

既为科研提供论文复现与课题创新的标准化方法及数据支撑，为企业工艺优化降低试错成本、缩短研发周期，也助力学习者提升多物理场耦合仿真核心竞争力，全方位赋能科研、工业生产与个人技能进阶。

以下是我课程大纲：

第 1 讲：SLM 激光熔覆过程熔池形态演变基本介绍；

核心覆盖内容：课程整体框架、SLM 激光熔覆技术背景及熔池形态演变研究意义。

第 2 讲：SLM 激光熔覆过程熔池形态演变重点内容讲解；

核心覆盖内容：课程核心知识点梳理、学习重点与实操难点提前预判。

第 3 讲：SLM 激光熔覆仿真基本假设及控制方程概述

核心覆盖内容：仿真核心假设条件说明，控制方程的物理意义与应用逻辑。

第 4 讲：SLM 激光熔覆仿真传热、流体流动及界面捕捉方程调用；

核心覆盖内容：传热与流体流动方程实操调用，界面捕捉方程的选择与应用。

第 5 讲：SLM 激光熔覆仿真几何建模及简化思路

核心覆盖内容：仿真几何模型构建方法，针对复杂场景的几何简化技巧。

第 6 讲：SLM 激光熔覆仿真网格划分细化及粗化思路分享；

核心覆盖内容：网格划分原则，针对关键区域的细化与非关键区域的粗化策略。

第 7 讲：SLM 激光熔覆仿真高斯热源参数介绍及添加；

核心覆盖内容：高斯热源各项参数的物理意义，参数设置与添加步骤。

第 8 讲：SLM 激光熔覆仿真相变及受力详细分析；

核心覆盖内容：相变过程原理解析，反冲压力、马兰戈尼力、表面张力的作用机制。

第 9 讲：SLM 激光熔覆仿真相变理论详细讲解；

核心覆盖内容：相变相关理论深度拆解，理论与仿真实操的对应关系。

第 10 讲：SLM 激光熔覆仿真相变西塔函数值设置；

核心覆盖内容：相变西塔函数的物理意义，具体设置方法与参数优化。

第 11 讲：SLM 激光熔覆仿真相变材料函数设置；

核心覆盖内容：适配相变过程的材料函数定义，参数配置逻辑与实操步骤。

第 12 讲：SLM 激光熔覆仿真能量方程边界条件设置；

核心覆盖内容：能量方程边界条件的物理依据，精准设置方法与注意事项。

第 13 讲：SLM 激光熔覆仿真添加马兰戈尼力；

核心覆盖内容：马兰戈尼力的添加流程，参数调整与作用效果验证。

第 14 讲：SLM 激光熔覆仿真添加反冲压力；

核心覆盖内容：反冲压力的物理模型，仿真中的添加方法与参数校准。

第 15 讲：SLM 激光熔覆仿真流体流动模块添加边界条件；

核心覆盖内容：流体流动模块的边界条件设置逻辑，与整体仿真的适配技巧。

第 16 讲：SLM 激光熔覆仿真动网格设置；

核心覆盖内容：动网格技术原理，针对液态金属界面变形的捕捉设置方法。

第 17 讲：SLM 激光熔覆仿真设置时间控制函数控制高斯热源开关；

核心覆盖内容：时间函数的编写逻辑，实现高斯热源精准开关控制的实操。

第 18 讲：SLM 激光熔覆仿真收敛方法及监测点设置；

核心覆盖内容：仿真收敛的优化技巧，监测点的合理选择与设置方法。

第 19 讲：SLM 激光熔覆仿真后处理及总结；

核心覆盖内容：二维 / 三维镜像云图等后处理操作，课程核心知识点梳理与总结。

第 20 讲：SLM 激光熔覆热流耦合及文件使用说明（补充）；

核心覆盖内容：热流耦合技术实操细节，课程配套源文件的使用方法与注意事项。

来源：仿真秀App