高能束熔丝增材制造是大型复杂结构金属零件成形的关键技术,在航空航天重大装备制造中具有重要应用前景。目前工艺研发主要依赖繁复的试错试验,周期长,成本高。基于数值仿真辅助工艺研发已成为重要研究方向。然而,由于高能束熔丝增材制造过程存在材料本构快速切换、跨尺度的建模难题,数值模拟面临重大挑战,国内外没有可实现熔丝堆积成形零件过程仿真的数学模型出现。为此,在国家重点研发计划项目支持下,本文开展高能束熔丝数学模型、数值计算方法与金属过渡等成形物理行为的研究工作,取得的结果与创新如下:（1）建立了可直接模拟从丝材熔化过渡、到熔池凝固组织生长、再到逐道堆积形成整个零件的宏-介-微观多尺度数学模型,提出了浸入式送丝与混合相的流固耦合处理方法,解决了目前研究难以计算熔丝堆积成形整个零件过程的问题。采用平衡力修正的连续界面力方法对反冲压力、表面张力、热毛细力等界面力学因素建模,采用路径追踪方法建立了激光、电子束的动态热源模型。所建立的数学模型,能对高能束熔丝增材制造过程中的能量吸收、丝材熔化、金属过渡、熔池毛细流动、晶粒生长及宏观堆积形貌演化等物理行为进行可视化仿真。（2）针对单个熔池到整个零件成形过程仿真跨尺度的难题,提出并实现了八叉树网格自适应与动态负载均衡控制相结合的高性能计算方法,研发可以直接仿真零件熔丝堆积成形全过程的软件i LWD。相较于静态网格技术,建立的自适应网格算法将零件堆积过程中仿真计算量缩小1～2个量级。建立了空间填充曲线方法,实现了多核心并行计算的负载均衡,负载均衡率大于99%,解决了并行计算中核心闲置等待的问题。基于仿真软件与算法,在超级计算机上实现了熔丝堆积完整航空叶片的温度、流动、堆积形貌等随时间演变行为的仿真。（3）可视化再现了熔丝增材中金属从丝材端部熔化、接触基板熔池、过渡到熔池中凝固堆积的完整过渡行为。液桥过渡中,表面张力与反冲压力驱使金属液快速流动,流速可达1.5 m/s。熔滴过渡中,表面张力使得金属液球化,热毛细力驱使金属液向远离激光的区域流动,重力促使熔滴长大后断裂下落。熔滴、液桥过渡模式下,熔池均存在振荡特性。液桥过渡下,熔池振荡频率为100 Hz,振幅较小。熔滴过渡下,存在大幅度振荡,比液桥过渡振荡幅度大2倍,由此导致了表面起伏不平的堆积体形貌。（4）定量揭示了金属过渡从熔滴向液桥转变的规律。发现随着送丝速度的增加,过渡形式逐渐从熔滴过渡向液桥转变。随着功率水平的增加,熔滴过渡向液桥过渡转变时对应的临界送丝速度增大。阐明能量不匹配是决定过渡模式从液桥向熔滴过渡转变的原因。揭示了细长液桥由于Plateau–Rayleigh不稳定性而断裂失稳的机制,并提出基于熔池流动性质调控成形稳定性的思路:通过调控金属液流动,使其流动特性满足We～O（10~0～10~1）,Ca～O(10-2～10-3),Bo～O(10-2),Sl～（3.17-4.57）,维持稳定液桥过渡,从而实现堆积体成形形貌精度的控制。（5）通过数值模拟,揭示了多层多道堆积过程中层间、道间的流动传热规律。多道堆积中存在普遍的侧偏向流动,其偏向速度值约为0.02 m/s,引起的Pe数在10~1量级,表明侧偏向对流换热是促进多道熔合的重要因素。金属液与侧边堆积体相润湿产生的表面张力效应,是导致侧偏向流动的原因。多层堆积中,由于堆积体不均匀形貌造成表面张力、热毛细力等力学作用不均,使得熔池稳定性变差。仿真揭示了丝材端部金属液与侧边堆积体搭接形成局部空隙造成未熔合缺陷的机制,该种未熔合形成时间约为40 ms,尺寸在0.2 mm-1 mm之间,可通过减小道间间隔促进侧边堆积体熔化来抑制未熔合缺陷产生。上述研究可为激光、电子束熔丝等增材制造过程研究提供数学模型与定量仿真工具。