[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

本發明涉及一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法，通過給定管道的設計參數，并將管道離散化處理為3D打印的懸垂結構模型，通過有限元數值分析的方法模擬不同工藝參數下的3D打印過程，針對不同懸垂角度進行殘余應力分析，得到不同方向上的引起變形的殘余應力數據，進而建立變形的數學模型。由于在3D打印過程中難免存在翹曲變形，根據3D打印結構的材料力學性能，計算懸垂結構中各個節點沿各個方向上預計產生的變形，進而利用變形的累加效應，得到由于翹曲帶來的總變形，從而利用翹曲變形產生的總變形為形狀補償工作帶來數據上的基礎，最終完成基于選區激光熔化技術的3D打印管道的形狀補償結構設計工作。

技術領域

本發明涉及3D打印結構補償設計技術領域，尤其涉及一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法。

背景技術

增材制造技術(俗稱3D打印技術)是一種具有50余年發展歷程的制造技術，目前國內國外都在大力發展該項技術，國家NSFC機構、美國NSF協會認為增材制造技術是一項機械加工的重大創新變革。與傳統的機械加工方法和鑄造與鍛壓等塑性成形方法不同的是，增材制造技術具有設計自由度高、成形精度高、設備操作容易等優點。激光選區熔化技術(SLM)是基于高能量激光快速熔化金屬粉末再快速冷卻凝固的3D打印技術，可以獲得具有細小組織、致密度高的復雜形狀零件。

目前，針對無支撐的管道成形工藝，在SLM過程中容易使管道的上半部分由于無底部支撐形成懸垂結構產生翹曲變形，從而影響管道內側上表面的成形精度，同時會引起管道內表面的粗糙度提高等問題，使管道內液體的流動帶來能量損失。

雖然通過增材制造的加工方式可以提升零件的成形精度，但是對于3D打印管道的過程中依然會存在圓度誤差，而僅通過優化工藝參數依然會存在掛渣、粘粉等缺陷，Kamath等學者建立變形預測和補償模型，可以較好的提高管道的成形質量，但是模型中未考慮工藝參數等因素。本發明基于不同工藝參數和不同懸垂結構位置殘余應力的分布結果，建立基于應力修正的SLM成形管道變形預測和補償模型。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法，能夠解決3D打印管道和懸垂結構零件的缺陷預測和補償設計問題，可有效提高3D打印管道的成形質量。

本發明采用的技術方案如下：

本發明所提出的一種基于殘余應力修正的3D打印管道補償設計方法，具體包括以下步驟：

S1、確定待打印管道的內徑、壁厚、管道長度等設計參數，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；