在激光粉末床熔融过程中，热循环和热积累导致零件产生残余应力和变形，对零件的成形精度带来极大的影响。由于计算量过大，利用热弹塑性模型难以实现尺寸较大的结构残余应力和变形的模拟。为了实现快速准确的预测，基于改进的固有应变理论，从热弹塑性模型中提取固有应变矢量并逐层施加至典型特征结构中，系统性地研究了四种扫描策略下特征结构的残余应力和变形分布。研究发现，在不同扫描策略下，薄壁结构、悬臂梁和悬垂圆孔结构表现出相同的变形趋势，即扫描方向沿短边时变形最小。其原因一为扫描方向沿短边方向时扫描矢量长度较小，二为相同应力下短边变形小于长边变形，从而产生小的残余应力及变形。对悬垂结构增加支撑有利于减小翘曲变形，提高成形质量。在悬垂圆孔结构外侧，随打印高度逐渐增大的竖直方向的拉应力是影响其变形的主要原因。所得结果可对获得低应力、高精度增材制造结构以及提高增材制造成形质量提供有效技术支撑。

激光热成形作为船体外板曲面成形的新工艺, 具有良好的加工柔性, 且能够实现对加工参数的精确控制, 是实现曲面成形工艺的最佳选择。传统的热弹塑性有限元方法对大尺度板材计算需要大量的时间, 本文通过热弹塑性有限元法, 获取加工塑性应变分布, 确定固有应变等效方法, 提出小尺度-大尺度板固有应变映射法。基于激光加工实验平台, 进行激光热成形实验, 结合变形测量, 该方法与实验结果间的平均相对误差为5.27%, 验证了该方法的有效性; 相比热弹塑性有限元仿真, 该方法节约了147倍的计算时间。

针对激光选区熔化(SLM)成形过程中易发生翘曲变形的问题,建立了一种“热源-局部-结构件”三级递进模型,采用生死单元法模拟了SLM成形中层层叠加的过程,并逐层施加固有应变,得到了宏观结构件SLM成形的变形趋势预测结果。将仿真结果与实际成形件进行对比,结果表明,固有应变有限元法能够有效预测SLM成形件的变形量。