这份研究报告介绍了由美国西北大学机械工程系的 Fan Chen、Dominik Kozjek、Conor Porter 和 Jian Cao*（通讯作者）共同完成的一项研究。该研究题为《通过伪逐层等效热通量模型考虑扫描路径尺度的粉床尺寸热模拟加速》，于2024年12月24日在线发表，并收录于2025年的《制造过程杂志》（*Journal of Manufacturing Processes*）第134卷。

本研究属于金属增材制造领域的数值模拟与过程优化研究。在金属粉末床熔融，特别是激光粉末床熔融工艺中，精确预测零件尺度的温度场对于最终产品的机械性能至关重要。然而，传统的逐道次（track-by-track）热传递分析计算成本极高，尤其是在制造包含多个零件或复杂几何形状的大型构件时。现有的零件尺度模型通常仅关注单个零件的热行为，忽略了周围零件通过粉床产生的热相互作用，但实验已证实，这种相互作用会导致具有相同局部几何形状的样品在沿构建方向上的温度分布产生差异。因此，本研究旨在开发一个集成化的零件尺度建模框架，该框架需高效、物理基础扎实，能够模拟大型AM试样集群的热行为，同时考虑不同熔融区之间通过粉床的热传导效应，以更好地理解和优化大尺寸样品的扫描路径策略。

研究的详细工作流程清晰明确，主要包含两个核心阶段：小尺度模拟进行等效热通量（equivalent heat flux）的“验证与标定”（justification），以及基于标定结果的大尺度热演化模拟。

第一阶段：小尺度模拟与等效热通量标定。 此阶段的核心目标是确定一个均匀施加在整个单层表面的等效热通量 ( \dot{q}_e )，使其在经历一段冷却时间 ( t_c )（模拟粉末重涂和扫描邻近区域的时间）后，产生的温度场 ( T’ ) 能够近似于高保真的逐道次扫描模拟所产生的温度场 ( T )。为此，研究者构建了两个小尺度模型（Model 1 和 Model 2），二者几何形状和热边界条件完全相同。Model 1 采用高斯分布热源，并按照实际的双向“之”字形扫描路径逐道次渐进激活单元，以计算作为基准的 ( T )。Model 2 则将整个层作为一个整体一步激活，并在其表面施加一个均匀的 ( \dot{q}_e )。通过调整 ( \dot{q}_e ) 并使用二分法进行迭代，直至 Model 2 产生的温度场 ( T’ ) 与 Model 1 的 ( T ) 在冷却后达到高度相似。研究在圆形和方形两种不同截面形状的单层模型上验证了此方法的有效性。研究发现，( \dot{q}_e ) 主要受零件横截面积影响：面积越大，由于能量更倾向于向已凝固材料深处进行一维传导而非向周围粉末扩散，瞬时施加相同能量会导致材料过热，因此需要更低的 ( \dot{q}_e )。而预热温度对 ( \dot{q}_e ) 的影响较小。此阶段的研究为后续大尺度模拟提供了关键的输入参数，即针对不同几何特征的层所对应的 ( \dot{q}_e )。

第二阶段：大尺度建模与温度演化分析。 此阶段旨在模拟多个样品在同一基板上制造时的温度演化过程，重点关注零件间的热相互作用。研究者设计了一个包含目标试样和周围疲劳试样的试样集群，并将其嵌入一个代表粉床的“粉末块”中。粉末块被赋予均质但热导率极低（仅为固体材料的0.3%）的材料属性，以模拟粉末的实际隔热效果。零件与粉末块之间的界面定义了热接触传导。大尺度模型采用逐层单元激活的方式来模拟材料的沉积过程。在每一“伪层”（代表多个物理层）激活时，将第一阶段标定得到的表面热通量 ( \dot{q}_e ) 转化为体热通量 ( \dot{q}_e(s)/h_0 )（( h_0 )为实际层厚），均匀施加到新激活的单元上。所有模拟均使用商业软件Abaqus/Standard完成，并通过用户子程序 DFLUX 和 UEPACTIVATIONVOL 分别实现热通量施加和单元渐进激活。

该研究采用了AlSi10Mg合金的材料属性，并设定了包括热辐射、对流以及粉末-固体界面热传导在内的复杂热边界条件。为评估模型性能，研究者不仅进行了视觉比较，还引入了决定系数 ( R^2 ) 来量化模拟曲线与实验测量曲线之间的趋势吻合度。

研究的主要结果丰富且具有说服力。首先，在大尺度模拟中，研究者成功展现了整个建造过程中不同时刻的残余温度分布。 结果显示，在疲劳试样密集的中心区域，由于冷却速率较低，形成了显著的高温区；而目标试样区域相对稀疏，边界冷却更快，温度水平较低。这种分布模式与物理直觉相符，验证了模型捕捉复杂热相互作用的能力。其次，通过对比多零件模拟与单零件模拟的结果，研究明确揭示了热相互作用的关键影响。 以几何特征完全相同的Group 4三个试样为例，在多零件模拟中，由于位置和相邻零件的不同，它们的温度分布存在显著差异：两侧的试样因邻近加热而边缘温度较高，而中间的试样则因位于集群边界、热损失较大而温度较低。相比之下，不考虑热相互作用的单零件模拟，其温度场总是呈现中心高、表面低的规则模式。这一对比强有力地证明了在大型多零件构建中，通过粉床的热传导效应是不可忽略且无法仅用表面辐射和对流来替代的。第三，研究将模拟得到的各层平均预热温度曲线与实验通过同轴光电监测系统测量的各层熔池代表温度曲线进行了趋势性对比。 尽管两者温度水平不同（模拟是层沉积冷却后的残余温度，实验是熔化时的熔池温度），但结果显示，在大多数情况下，二者的变化趋势具有相似性，( R^2 ) 值为正。这间接表明，模拟预测的预热温度（即前一层的残余温度）对熔池温度有正相关的趋势性影响，从而从侧面验证了等效热通量方法在模拟整个构建过程温度演化方面的可行性。反之，若采用简化的单零件辐射/对流模型，其残余温度曲线与实验熔池温度曲线的趋势严重不符（( R^2 ) 为负），进一步凸显了纳入热相互作用的必要性。第四，为了验证该方法对不同扫描策略的适用性，研究者进行了多“岛屿”单层沉积测试。 他们将一个单层划分为12个小岛，并设置了两种扫描策略：一种是各岛屿扫描方向不同，另一种是方向相同。测试表明，尽管在加热过程中温度模式不同，但在对一个完整岛屿进行沉积并经历短暂冷却后，采用等效热通量法的模型与逐道次扫描模型产生的温度场非常相似。同时，扫描方向的不同对最终残余温度场的影响相对较小（温度差异在0.2-7.6%之间），这支持了对于高热导率的金属材料，在小面积区域内使用恒定等效热通量来近似不同扫描方向激光加热的可行性。最后，研究显著强调了其计算效率的优势。 逐道次加热分析单个层需要3-5 CPU小时，而等效热通量法仅需30-120秒。对于包含超过1亿条扫描道次的整个构建，逐道次模拟完全不可行。而本研究的方法，成功在约30分钟内预测了包含100个试样的集群的热历史，计算成本远低于同类研究。

本研究的结论是，成功开发了一个集成了逐层等效热通量归属和逐层单元激活的零件尺度建模框架。该框架通过高保真的道次尺度模拟验证了等效热通量，并通过纳入粉床传导效应，增强了实际应用中的热分析真实性。模拟的层间温度变化与实验测量的熔池平均温度变化趋势相匹配，为具有相同几何形状但位置不同的样品间观察到的温度分布和冷却速率差异提供了合理解释。该方法物理基础扎实，计算效率高，为理解和预测大型多零件增材制造过程中的热相互作用提供了可靠工具，并支持优化扫描路径策略以改善零件质量。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 创新性方法： 提出了“等效热通量归属”与“逐层激活”相结合的全新集成框架，有效平衡了计算精度与效率的矛盾，为解决大型AM零件热模拟的瓶颈问题提供了新思路。2. 对热相互作用的重视： 明确将零件间通过粉床的热传导作为核心物理机制纳入模型，突破了传统单零件模拟或简化边界条件的局限，更贴近实际多零件构建场景。3. 严谨的验证链： 研究从微观（单层道次对比）到宏观（多零件集群），从数值模拟到实验趋势对比，构建了多层次、多角度的验证体系，增强了结论的可信度。4. 显著的工程实用价值： 所开发的方法计算效率极高，使得预测大型构件甚至整个粉床构建板的热历史成为可能，为工艺优化、残余应力与变形预测以及零件性能的“第一次就做对”提供了强大的仿真工具。5. 对扫描策略适用性的初步探索： 通过多岛屿测试，展示了该方法在处理复杂扫描策略和分区扫描方面的潜力，为未来更深入的研究奠定了基础。这项研究不仅增进了对增材制造热场演化的理解，更提供了一种高效、实用的模拟手段，具有重要的科学意义和工程应用前景。