针对金属材料3D打印过程模拟异常复杂和耗时问题，以金属材料激光选区熔化(SLM)加工工艺为研究对象，采用修正固有应变方法，实现3D打印过程残余变形的精确快速预测。考虑到3D打印过程的周期性，对连续两个打印层进行热-弹-塑性耦合分析，通过修正固有应变理论，提取3D打印过程等效的修正固有应变载荷；将提取到的修正固有应变逐层施加到弹性有限元模型，实现3D打印过程高效模拟及残余变形精确预测；通过与3D打印完整过程热-固耦合分析及3D打印试验对比，验证修正固有应变方法预测3D打印残余变形的精确性和高效性。

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。

基于修正的固有应变方法，研究解决热-机械耦合模拟虽结果精度高，但由于计算难以收敛、耗时久等原因，无法预测工业级构件变形的难题。首先，选取小尺寸局部模型模拟激光熔化沉积（LMD）过程，从热-机械耦合计算结果中提取固有应变。其次，利用固有应变法，预测了在一端具有固定支撑约束的基板上单道沉积24层薄壁零件后基板的变形情况，通过与热-机械耦合模拟结果对比，发现固有应变法预测的基板底面中心线上最大变形量的偏差为3.27%，基底自由端变形量的平均偏差为4.15%。同时发现，3 mm为固有应变法中等效数值层的最优高度，其可兼顾计算的准确性和效率。最后，进行了扫描路径的优化，通过对比6种扫描路径，发现层间来回交替扫描模式下的变形量最小。在此基础上，结合固有应变方法，实现了工业级核电应急柴油机凸轮轴在LMD过程后的变形趋势预测。结果表明：凸轮轴两侧变形量最大，为1.47 mm；移除支撑后，两端向上翘曲，最大变形增至2.16 mm，但其最大变形位置没有发生变化。整个计算过程仅耗时9.5 h，这对于实现工业级LMD构件的快速变形预测具有重要意义。

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。