基于有限元-元胞自动机法（CAFE）的增材制造过程组织模拟原创

320科技工作室

关键词：增材制造；有限元，元胞自动机，凝固组织，晶体塑性

增材制造技术是一种先进的数字化制造技术，其采用热源熔融离散材料（如粉末），并逐层逐道沉积成3维实体构建。这与传统减材制造 (切削、磨削等) 和等材制造 (铸造、锻压等) 加工材料方式的本质不同。增材制造过程伴随着快速的熔化和凝固循环，材料经历复杂的热历程。这导致熔池内部及相邻层、道之间形成独特的微观结构，包括精细的枝晶结构、晶粒尺寸、晶粒取向（织构）以及由微观偏析引起的潜在析出相。这些凝固组织特征直接决定了制件最终的力学性能（如强度、韧性）和物理性能。因此，精准预测和控制凝固组织演变对于增材制造的工业化应用至关重要。

有限元-元胞自动机（CAFE）法是一种强大的跨尺度模拟方法，为研究增材制造凝固组织形成提供了有力工具。其采用有限元法或有限体积法建立起制造过程的宏观熔池模型，模拟激光/电子束等热源移动产生的瞬态温度场（包括熔池形状、温度梯度G、冷却速率R）、热应力及潜在的熔池流动。

图1增材制造过程的有限元模型

图2增材制造过程的有限体积模型

有限元的计算结果作为元胞自动机模型的输入，其基于经典形核理论（如连续形核模型）确定潜在晶核的位置、密度和取向；并运用枝晶生长动力学模型（如KGT模型）模拟晶粒的形核、竞争生长、枝晶臂的发展以及晶粒碰撞。

图3增材制造的微观组织演化预测

CAFE方法的优势在于其明确性：它能够直观地可视化晶粒形态、尺寸分布和晶体学取向（织构）的演变过程。通过CA模型捕获的晶粒结构，特别是其晶体取向信息，可以直接为后续的晶体塑性有限元（CPFEM）模拟提供微观结构输入。CPFEM利用每个晶粒的取向和滑移系来预测其在外部载荷下的塑性变形行为和各向异性力学响应，从而建立从制造过程→凝固组织→宏观力学性能的完整预测链条。这使得CAFE方法成为理解和优化增材制造过程-结构-性能关系不可或缺的核心工具。