[發明專利]一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法

有效

• 申請號: 202110649810.X
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113378386B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 汪飛雪;李子聰;徐晨光;姚靜;劉鵬舉;張天翊
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00;G06F119/14
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 何圣斐;李洪福

1.一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

S1、確定待打印管道的設計參數，設計參數包括：內徑、壁厚、管道長度，利用三維繪圖軟件繪制，并保存為SLM打印機可識別的文件；

S2、將管道的上半部分按照厚度為h進行切片分層，得到待打印管道的懸垂結構模型；

S3、針對步驟S2得到的懸垂結構模型，建立不同工藝參數下和不同懸垂結構區域的有限元分析模型，對管道懸垂結構中殘余應力進行分析；

S4、根據步驟S3得到的殘余應力分析結果，提取不同工藝參數和不同懸垂角度區域的X向殘余應力和Z向殘余應力；

S5、針對步驟S2得到的懸垂結構模型，為了確定隨著打印層數的增加，其成形高度與殘余應力之間的關系，針對不同懸垂角度隨著打印層數增加的模型進行分析；

S6、根據步驟S5中不同懸垂角度的X向和Z向的殘余應力隨打印層數增加的規律，基于不同懸垂結構區域殘余應力情況，擬合得到X向和Z向殘余應力隨成形高度變化的表達式；

S7、根據步驟S3至步驟S6的殘余應力計算結果，建立變形管道懸垂結構的數學分析模型，并對管道模型進行簡化；

S8、對步驟S7中的管道懸垂結構數學分析模型進行結構離散；

S9、假設節點i的X方向和Y方向的位移分別為Δx_i和Δy_i，并且假設模型每一層成形后都處于平衡狀態；

S10、假設步驟S9中的模型中節點i的左側為固定端，根據步驟S3至步驟S6的殘余應力計算結果，進行模型的界面受力分析，結合3D打印的材料力學性能，計算節點i的X方向和Y方向的位移分別為Δx_i和Δy_i，那么，其管道懸垂結構在節點i處的變形預測為：Δx_i1＝x_i-Δx_i，Δy_i1＝y_i+Δy_i，從而計算得到節點i的總變形；

S11、根據步驟S10的總變形結果，對管道進行補償輪廓設計；

步驟S7中，對管道模型進行簡化的方法如下：假設數學分析模型中已打印模型的實體一側為固定端，由于打印金屬粉末迅速凝固收縮，使打印的實體內產生殘余應力，將產生的殘余應力分解為沿X方向的殘余應力σ_x和沿Y方向的殘余應力σ_y。

2.根據權利要求1所述的一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法，其特征在于：步驟S8中，對管道懸垂結構數學分析模型進行結構離散的方法如下：按照成形方向將模型的不同層進行編號，自下向上對節點進行編號，第i個懸垂位置節點命名為節點i，其中1≤i≤n。

3.根據權利要求1所述的一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法，其特征在于：步驟S11的具體過程如下：針對形狀補償，其管道在節點i處針對翹曲變形需要補償量為：Δx_i2＝x_i+Δx_i，Δy_i2＝y_i-Δy_i，從設計輪廓模型中分別減去X方向和Y方向上的結構變形數據，使得通過增材制造得到的管道懸垂結構恢復到設計輪廓模型，從而實現管道的形狀補償。