预计到 2032 年，全球制造业的产值将超过 20 万亿美元，与 2025 年 14.8 万亿美元的估值相比，未来数年间将呈现高速增长态势（参考文献１)。由于制造业的影响范围非常广泛，因此“提高效率，优化流程”已成为行业共同追求的核心目标。多物理场建模和仿真技术，为行业的这一需求提供了高效解决方案，可以帮助企业在不牺牲产品精度的前提下，优化产品设计、提高生产效率，降低成本、减少资源消耗以及缩短研发与生产周期。这篇博客，我们将结合 2024 年 COMSOL 用户年会上展示的 3 个案例，具体介绍多物理场仿真在制造行业中的应用。
1. 3D 打印物体的结构测试
在采用 3D 打印技术的增材制造中，物体的机械强度取决于制造它的 3D 打印工艺，这给各行各业的快速成型制造带来了更多挑战。BE CAE & Test 是 COMSOL 认证的咨询公司，它开发了一套系统，用于测试各种参数对结构分析的影响，并在 COMSOL Multiphysics® 软件中开发数值模型。
首先，他们使用结构力学模块和非线性结构材料模块创建了包含不同参数（如填充密度和外部层）的试样模型。研究团队使用了非线性弹性材料模型,因为应力-应变关系是非线性的，即使在无穷小的应变下也是如此；他们也使用了塑性模型，因为在较高的应变下也是非线性的。BE CAE & Test 公司利用收集到的验证数据，根据模型创建样品试样，并按照设定的打印参数进行 3D 打印。
使用 COMSOL Multiphysics® 建立的 3D 模型被导入到开源切片软件中，并转换成指导 3D 打印机的代码。打印机打印出的试样具有 25%、75% 和 100% 的填充等级，可用于实验和数值测试。
填充等级百分比从 25% 到 100% 不等，在应力测试中差别不大。
对 3D 打印试样进行了拉伸测试和弯曲测试，以了解不同填充等级对测试响应的影响。拉伸测试产生了屈服点和应力函数数据集。拉伸和弯曲测试都进行了数值实验验证。不同填充等级的平均实验应力-应变曲线开始时非常接近，随着应变水平的增加，应力-应变曲线略有分离。
对试样进行了实验和数值测试，直至失效。实验条件下的结构行为与数值预测结果非常吻合。
了解更多有关BE CAE & Test 研究的信息，请阅读:Structural Analysis on 3D Printed Objects Made from Experimentally Characterized Materials
2. 使用红外线激光束模拟熔化金属
Seurat Technologies 开发了一种尖端的金属 3D 打印方法——Area Printing® 技术，它使用强大的激光，通过垂直和水平偏振红外（IR）激光束的分裂来快速熔化金属粉末。在 2024 年的一篇研究论文中，该公司介绍，在近 100 kw 的功率下，红外图案光束可以“逐层”熔化粉末。带有光折变液晶层的光寻址空间光调制器（或光阀）可动态控制激光束的图案。
当使用接近 100 kW 的高功率激光束时，该方法必须考虑热管理，因为设备的温升会影响液晶的关键光学特性以及设备的整体效率。Seurat Technologies 团队使用经过验证的液晶层加热过程数值模型来设计冷却功能，然后模拟冷却设计以确定液晶层的温度分布。
Seurat 技术公司的 Area Printing® 设计，可使用红外线激光快速、精确地熔化金属。
光阀激光加热模型使用有限元仿真确定加热和温度分布。在该模型中，根据设备的实际测量结果，输入激光功率、每厘米功率强度、冷却剂温度和流量。SST 湍流方程和测量的吸收系数作为输入， RANS 考虑冷却剂非等温流动。这些输入与 COMSOL Multiphysics® 的一个附加产品——材料库结合使用。研究团队通过比较诱导 E7 液晶向列相变（熔化）的实验激光功率与数值解预测的温度，对该稳态模型进行了验证。在无法进行直接温度测量的情况下，研究团队可以利用这些经过验证的模拟来优化液冷设计。
研究团队发现，由于在 57°C 时发生相变，COMSOL Multiphysics® 仿真和真实测量产生的熔点看起来是一样的。(测量包括交叉偏振图像，其中熔融转变看起来也像一个黑点，在激光功率为 846 W 的情况下，熔融转变出现在 57°C 的温度下。)
57°C 时发生的 E7 液晶层相变点，在交叉偏振图像中显示为一个黑点，与计算结果非常吻合。
点击此处，阅读 Seurat Technologies 的相关研究论文: Simulation of heating of a beam shaping spatial light modulator in Area Printing metal 3D printing
3. 利用冷喷涂料延长不锈钢的使用寿命
冷喷涂 工艺是将金属粉末高速喷射沉积到不锈钢表面，以增强钢的耐腐蚀性和耐磨损性，从而延长其使用寿命。冷喷涂的高速沉积特性可实现复合材料，以及由金属、合金、复合材料和陶瓷制成的具有定制特性的功能梯度材料（FGM）的致密化。
Triton Systems 公司的一份技术文件中提到，冷喷涂制造技术目前广泛应用于维修和涂料领域，但在航空航天和海军工业的结构承重部件制造中的应用仍在研究之中。
Triton Systems 使用拉瓦尔（de Laval）喷嘴加速气流中的细小颗粒，并在颗粒与基底不锈钢材料（基体）接触时形成热影响较低的冶金结合。
示意图显示了冷喷枪工艺系统。获 CC BY 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享 。
定制金属粉末混合物可创建具有特定性能的复合材料。功能梯度材料也是根据特定属性量身定制的。烟气脱硫材料是通过喷雾工艺逐渐改变粉末成分制成的。成分的变化会导致材料性能的逐渐改变，如机械强度、导热系数或热膨胀系数。Triton 系统公司利用建模和仿真技术，根据静态机械测试输入结果预测冷喷涂复合材料和功能梯度材料的疲劳寿命。通过仿真软件测试疲劳寿命可以提高效率，减少实际疲劳测试所需的时间和资金。
借助结构力学模块和疲劳模块，该公司开发了带涂层和无涂层的 1 类飞机拉杆的 3D 模型，并采用了真实的疲劳载荷条件，用于确定冷喷涂层如何提高不锈钢的疲劳寿命。在该模型中，ASTM E290-22 狗骨样品需要接受循环应力测试。力和力矩载荷由载荷组定义，狗骨样品的疲劳行为由实验 S-N 曲线公式计算。在模型中的一个样品上使用了耐腐蚀的冷喷 CrC-Ni。铬碳镍通过用户自定义系统来表示，以定制材料属性。该模型生成了复合材料和功能梯度材料组件每个寿命周期的输出结果。
带冷喷涂层的狗骨样品在循环载荷应力下表现得更好。
研究团队对仿真结果进行了验证，并将疲劳寿命预测结果与实验数据进行了比较。结果表明，喷涂了铬化碳-镍的狗骨样品的疲劳寿命有所提高，在承受循环载荷时受应力的影响较小。仿真结果与寿命预测非常吻合。
Triton System 基于对复合材料冷喷部件，以及循环承载情况下功能梯度材料的研究，对使用冷喷涂层的不锈钢的性能改进提出了自己的见解。
了解更多有关 Triton 系统和这项研究的信息，请查阅相关研究论文：Predicting Fatigue Life of Cold-Sprayed Multi-Materials and Functionally Graded Materials
多物理场仿真推动制造业发展
本文只介绍了制造业的工程师、研究人员和科学家如何使用 COMSOL Multiphysics® 优化产品和流程，以及提高效率的几个示例。
您可以访问 COMSOL 官网的制造行业应用页面，了解更多建模与仿真实例。
参考文献
- Global Manufacturing Market Size and Forecast – 2025-2032. (2025, May). Coherent Market Insights. https://www.coherentmarketinsights.com/industry-reports/global-manufacturing-market
Area Printing 是 Seurat Technologies Inc. 的注册商标。
评论 (0)