金属增材制造在航天、航海、国防等领域有着广泛的应用，其加工过程的数值模拟算法涉及到复杂的多尺度、多物理耦合求解，是计算力学领域中的热点和难点问题。以激光选区熔化技术为例，描述部件和熔池流体所需的空间离散尺度通常横跨三个量级以上，计算资源需求巨大，使得高保真模拟算法难以完成大规模问题的求解。

金属增材制造的局部多网格有限体积法

近期，我院廉艳平教授课题组针对金属增材制造过程中的“热-流”耦合问题，提出了一种新的高效、高保真数值模拟算法：局部多网格有限体积法（local multi-mesh finite volume method）。该算法基于叠加细化的思想，采用一套移动精细网格跟踪热源，并对熔池内的流动、传热、相变过程进行精细求解，同时采用一套基网格对远离熔池的大尺寸区域进行温度场求解，在两套网格之间建立了高效的温度Dirichlet耦合方法。研究者建立了两套网格中离散元方法与有限体积法的体积分数转化技术，以及高稳定性的热源施加方案。算法通过一系列算例测试，包括激光扫描基板、激光单层、多层铺粉熔覆问题等，与解析解、实验结果符合良好，证明算法具有高精度；计算效率测试结果表明，相比于均匀网格的有限体积法，算法能够在保证精度的前提下，将计算效率提高16~50倍。关于金属增材制造过程的计算模拟研究工作，多年来受到方岱宁院士、梁军教授等专家的重视、鼓励与指导；而此次工作发展的局部多网格有限体积法有利于实现金属增材制造问题的大规模、高效、高保真分析，以及相应的物理机理揭示和工艺参数优化研究。

相关成果以“An efficient and high-fidelity local multi-mesh finite volume method for heat transfer and fluid flow problems in metal additive manufacturing”为题，发表在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》上。

(文章链接：2023,404:115828.DOI:10.1016/j.cma.2022)