[發(fā)明專利]一種基于力流管載荷路徑的3D打印填充設計方法

有效

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• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112182911B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設計）人: 王碩;王玉
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/10;G06F119/14
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 楊宏泰

本發(fā)明涉及一種基于力流管載荷路徑的3D打印填充設計方法，包括下步驟：1)獲取零件的主受力方向并且按照直角坐標系方向構(gòu)建零件的三維模型，并劃定零件裝夾區(qū)域A和載荷施加區(qū)域B，確定約束邊界Lb以及載荷邊界或載荷點Lf；2)通過有限元分析獲取各節(jié)點的力流場方向并繪制力流場可視化圖形；3)設定填充質(zhì)量密度以及擠出頭口徑d，并根據(jù)載荷的類型確定載荷施加分配方式，形成力流線的端點；4)分別繪制主區(qū)域的力流線S_m和非主區(qū)域的力流線S_r；5)按照繪制的力流線進行3D打印。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了因為孔缺陷等問題引起的局部薄弱問題，有效提高零件整體的強度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于力流管載荷路徑的3D打印填充設計方法。

背景技術(shù)

增材制造又稱為3D打印技術(shù)，它的出現(xiàn)讓制造具有更高復雜度和定制化的零件成為可能，3D打印不同于傳統(tǒng)的鑄造和切削加工方式，其制造過程是材料和結(jié)構(gòu)同時生成的，其材料密度不一定是密實填充，在設計好零件外觀結(jié)構(gòu)尺寸以及不改變基材料特性的基礎上，利用單元晶格或孔隙薄壁等結(jié)構(gòu)代替密實填充可以實現(xiàn)零件的輕量化設計并提升強度性能，這種全新的零件設計研發(fā)方法對增材制造業(yè)有著非常深遠的影響，有助于加工具有一定強度和韌性損傷容限的零件，同時還可以改善零件對外部載荷的響應性能。

零件整體結(jié)構(gòu)的性能與內(nèi)部填充的單元晶格或孔隙的形狀、尺寸、排列分布密切相關(guān)，目前采用3D打印方法所設計的零件內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)多采用線性網(wǎng)格或均勻蜂窩等，或者基于米歇爾桁架或主應力線等拓撲結(jié)構(gòu)，但是會產(chǎn)生因為孔缺陷等問題引起的局部薄弱，降低零件整體的強度的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于力流管載荷路徑的3D打印填充設計方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于力流管載荷路徑的3D打印填充設計方法包括下步驟：

1)獲取零件的主受力方向并且按照直角坐標系方向構(gòu)建零件的三維模型，并劃定零件裝夾區(qū)域A和載荷施加區(qū)域B，確定約束邊界Lb以及載荷邊界或載荷點Lf；

2)通過有限元分析獲取各節(jié)點的力流場方向并繪制力流場可視化圖形；

3)設定填充質(zhì)量密度以及擠出頭口徑d，并根據(jù)載荷的類型確定載荷施加分配方式，形成力流線的端點；

4)分別繪制主區(qū)域的力流線S_m和非主區(qū)域的力流線S_r；

5)按照繪制的力流線進行3D打印。

所述的步驟2)具體為：

設定試驗參數(shù)并進行有限元分析，得到所有有限元分析節(jié)點的坐標以及各節(jié)點對應的正應力σ_x和切應力τ_xy，并根據(jù)公式tanθ＝τ_xy/σ_x計算各節(jié)點的力流場方向

所述的步驟3)中，若施加的載荷類型為邊界均布載荷fa，則在載荷邊界Lf上均勻分布個起始點K；若施加的載荷類型為點載荷fp，則在受力點周圍劃定半徑為r的圓作為均布載荷邊界，并按均布載荷處理。

所述的步驟4)中，繪制主區(qū)域的力流線S_m具體為：

設定步長精度Ls，從每個起始點K開始，按照力流場在該點處的矢量方向通過步進迭代畫出力流線S_m，該力流線S_m所填充區(qū)域即為主區(qū)域F_m。

所述的步驟4)中，繪制非主區(qū)域的力流線S_r具體為：