[發明專利]一種具有內嵌傳感器的零件設計加工方法及系統

有效

• 申請號: 202110072212.0
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112395714B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 王澤敏;李樹寒;蘭新強;李桐
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/06;G06F113/10;G06F119/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種具有內嵌傳感器的零件設計加工方法及系統，屬于3D打印技術領域，方法包括：根據原始零件模型對使用工況下零件的失效行為進行模擬，以確定零件的失效區域和失效形式；設計滿足使用工況下失效形式監測需求的內嵌傳感器；設計內嵌傳感器的嵌入點和數量，更新零件模型，當更新后零件模型不滿足相應的性能指標時，修改內嵌傳感器的嵌入點和數量直至滿足相應的性能指標，3D打印加工更新后的零件模型，以制備具有內嵌傳感器的零件。克服傳感器嵌入零件表面或淺層難以監測零件深部真實狀態的缺點，針對原始零件失效點確定傳感器嵌入位置，基于3D打印技術進行結構優化和一體化加工，實現對零件服役狀態的精確在線監測。

技術領域

本發明屬于3D打印技術領域，更具體地，涉及一種具有內嵌傳感器的零件設計加工方法及系統。

背景技術

隨著制造業的發展，機械零件的結構設計朝著復雜精密方向深入。由于實際工況環境復雜多變，通過模擬計算的方式估測結構零件的壽命并不準確。因此，對承力、耐磨、耐熱、耐蝕等關鍵零件的不同狀態的監測至關重要。傳統方法是定期檢查關鍵零件的使用情況，包含目視檢查、無損檢測等離線檢測手段。這些方法不適合部分設備在服役狀態下進行檢測，而且檢測的有效性與檢測頻率相關。低頻率檢測則容易漏查漏檢，提高頻率保障了有效性但會耗費大量成本人力。

在零件中嵌入傳感器可以實現零件服役狀態下的在線狀態監測。現有技術中，通常通過打孔、開模制造的方式將傳感器嵌入設備內部以直接檢測設備的運行狀態，但是打孔的方法不適用于運行環境惡劣的機械設備，開模制造的方法成本較高，不適合應用于實際零件制造。采用常規的鍛造、鑄造等方法在零件加工環節嵌入傳感器的難度很高，而采用機械鉆孔破壞零件原始結構的方式將傳感器嵌入零件內部，又會導致零件的承載能力受到影響。特別是在一些復雜結構零件內部，很難實現。如何降低內嵌傳感器對零件承載能力的影響以及制備難度，是本領域技術人員關心的問題。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種具有內嵌傳感器的零件設計加工方法及系統，其目的在于克服傳統方法中傳感器嵌入零件表面或淺層難以監測零件深部真實狀態的缺點，針對原始零件失效點確定傳感器嵌入位置，基于3D打印技術進行結構優化和一體化加工，實現對零件服役狀態的精確在線監測。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種具有內嵌傳感器的零件設計加工方法，包括：S1，根據原始零件模型對使用工況下零件的失效行為進行模擬，以確定零件的失效區域和所述失效區域中的失效形式；S2，確定與所述失效形式對應的內嵌傳感器的類型，并對所述內嵌傳感器進行設計，使得設計后的內嵌傳感器滿足使用工況下所述失效形式的監測需求；S3，根據設計后的內嵌傳感器的尺寸參數設置所述內嵌傳感器在所述失效區域中的嵌入點和數量，并對所述原始零件模型進行更新，更新后的零件模型中包含所述內嵌傳感器；S4，對使用工況下所述更新后的零件模型進行模擬，以確定所述更新后的零件模型的性能參數是否滿足相應的性能指標，若不滿足，重復執行所述S3，直至所述更新后的零件模型的性能參數滿足所述相應的性能指標；S5，3D打印加工所述更新后的零件模型，以制備具有內嵌傳感器的零件。

更進一步地，所述S1包括：對所述原始零件模型進行網格劃分，根據網格劃分后原始零件模型中的材料特性、分析方程和邊界條件，對使用工況下零件的失效行為進行有限元模擬，以確定所述失效區域和失效形式。

更進一步地，所述內嵌傳感器的類型為應變傳感器、應力傳感器、電阻傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、角度傳感器中的一種或多種。

更進一步地，所述S2中以所述內嵌傳感器的測量范圍、極限耐受溫度、壽命和接觸形式滿足使用工況下對應失效形式的監測需求為目標，對所述內嵌傳感器進行設計。

更進一步地，所述S3中根據所述內嵌傳感器的測量范圍和壽命設置所述失效區域中內嵌傳感器的數量。

更進一步地，所述S4中的性能指標包括承力、承壓、耐磨、疲勞、耐腐蝕指標中的一種或多種。