[论文解读] A thermo-mechanical phase-field fracture model: application to hot cracking simulations in additive manufacturing

Hui Ruan, Shahed Rezaei+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Solidification and crystal growth phenomena被引用 13

一句话总结

本文提出了一种热力学一致的热-机械相场断裂模型，用于模拟金属增材制造中的热裂纹，通过有限元方法整合了热学、力学和断裂物理。模型表明，凝固收缩主导了周向裂纹的形成，而热梯度则驱动了中心裂纹的产生，其预测结果与不同激光功率和扫描速度下的实验热裂纹模式高度吻合。

ABSTRACT

Thermal fracture is prevalent in many engineering problems and is one of the most devastating defects in metal additive manufacturing. Due to the interactive underlying physics involved, the computational simulation of such a process is challenging. In this work, we propose a thermo-mechanical phase-field fracture model, which is based on a thermodynamically consistent derivation. The influence of different coupling terms such as damage-informed thermomechanics and heat conduction and temperature-dependent fracture properties, as well as different phase-field fracture formulations, are discussed. Finally, the model is implemented in the finite element method and applied to simulate the hot cracking in additive manufacturing. Thereby not only the thermal strain but also the solidification shrinkage are considered. As for thermal history, various predicted thermal profiles, including analytical solution and numerical thermal temperature profile around the melting pool, are regarded, whereas the latter includes the influence of different process parameters. The studies reveal that the solidification shrinkage strain takes a dominant role in the formation of the circumferential crack, while the temperature gradient is mostly responsible for the central crack. Process parameter study demonstrates further that a higher laser power and slower scanning speed are favorable for keyhole mode hot cracking while a lower laser power and quicker scanning speed tend to form the conduction mode cracking. The numerical predictions of the hot cracking patterns are in good agreement with similar experimental observations, showing the capability of the model for further studies.

研究动机与目标

• 开发一种热力学一致的相场断裂模型，耦合增材制造中的热学、力学和断裂物理。
• 研究损伤依赖的热-力学行为、温度相关的断裂特性以及不同相场公式对裂纹形成的影响。
• 通过考虑热致应变和凝固收缩，模拟粉末床熔融工艺中的热裂纹。
• 评估不同工艺参数（如激光功率和扫描速度）对裂纹形态及形成机理的影响。
• 通过对比传导模式和小孔模式加工下的预测裂纹形态与实验观测结果，验证模型的准确性。

提出的方法

• 基于热力学原理构建相场断裂模型，确保能量和熵平衡的一致性。
• 将热传导与损伤依赖的热物性参数及温度相关的断裂韧性相结合。
• 从热力学第一定律和第二定律推导控制方程，包括能量不等式和熵不等式。
• 通过扩展的外功项引入微接触力和内部微力，以模拟裂纹表面的相互作用。
• 采用有限元法进行耦合热-机械相场系统的空间离散化和时间积分。
• 实现多种热场分布，包括解析解以及基于熔池模拟的数值计算温度场，参数涵盖不同工艺条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同耦合项（如损伤依赖的热-力学行为和温度相关的断裂特性）如何影响增材制造中裂纹的形核与扩展？
• RQ2 热致应变与凝固收缩在周向和中心热裂纹形态中的相对贡献分别是什么？
• RQ3 激光功率和扫描速度的变化如何影响传导模式与小孔模式热裂纹之间的转变？
• RQ4 该相场模型在多大程度上能够预测单道激光熔融中实验观测到的热裂纹形态？
• RQ5 热梯度在熔池区域如何影响裂纹取向和裂纹路径选择？

主要发现

• 凝固收缩应变是熔池中周向裂纹形成的主要驱动力。
• 热梯度主要导致小孔模式加工中中心裂纹的发展。
• 更高的激光功率和更慢的扫描速度会促进小孔模式热裂纹的形成，其特征为同时存在周向和中心裂纹。
• 较低的激光功率和更快的扫描速度则有利于传导模式裂纹，主要表现为周向裂纹。
• 数值预测的裂纹形态与实验观测结果高度一致，验证了模型的预测能力。
• 引入温度相关的断裂特性以及损伤依赖的热传导显著提升了仿真的物理保真度。