CN111546636A - 大结构体3d打印的仿真监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大结构体3D打印的仿真监测方法，用于模拟并监测打印机对目标结构体的3D打印过程，方法包括：步骤S1：构建目标结构体的数值化模型并划分网格；步骤S2：设置数值化模型对应的浇筑步数、仿真计算时间，以及数值化模型的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数；步骤S3：基于数值化模型同步仿真打印机对目标结构体的3D打印过程并且输出仿真结果；其中仿真结果包括目标结构体的应力变化、形变失稳、温度变化以及结构开裂情况。本发明能够实时监测大体积结构3D打印过程中的应力、温度、质量缺陷等情况，并可反馈3D打印过程中出现的缺陷及奇异部位，以便即时纠正打印方法或采取应急补救方案。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种大结构体3D打印的仿真监测方法。
背景技术
3D打印技术具有高效、经济、节省人力等诸多优点，目前，已有大批新型的较大结构体通过3D打印技术完成，例如部分建成的房屋、桥等3D打印成果，这使得3D打印技术逐渐成为建筑施工的主流技术。随着3D打印技术的成熟也将会实现更大结构建设。
然而，对于大体积结构体的3D打印技术而言，打印过程中不可预知因素较多，提前建立的大模型仿真难以满足打印过程中遇到的问题，进而导致打印过程终止，从而造成打印原材料的大量浪费，即使完成了整个结构体的建设，但是成型体质量问题较多或者使用寿命较短，从而导致3D打印技术在大体积结构建设中得不偿失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大结构体3D打印的仿真监测方法，能够实时监测大体积结构3D打印过程中的应力、温度、质量缺陷等情况，可实时反馈3D打印过程中出现的缺陷及奇异部位，从而可以即时纠正打印方法或采取应急补救方案。
为了实现上述目的，本发明提供的大结构体3D打印的仿真监测方法，用于模拟并监测打印机对目标结构体的3D打印过程，所述方法包括：
步骤S1：构建所述目标结构体的数值化模型并划分网格，该网格的尺寸小于或等于所述打印机每一时步的出料量和所述目标结构体的增加量；
步骤S2：设置所述数值化模型对应的浇筑步数、仿真计算时间，以及所述数值化模型的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数；
步骤S3：基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程并且输出仿真结果；其中所述仿真结果包括目标结构体的应力变化、形变失稳、温度变化以及结构开裂情况。
优选地，在所述步骤S3之后，所述方法还包括：
步骤S4：判断所述仿真结果是否符合预设的规范值；
步骤S5：在所述仿真结果不符合所述规范值时，调整所述数值化模型对应的时步及仿真计算时间，执行所述步骤S3
优选地，在所述步骤S4之后，所述方法还包括：
在所述仿真结果符合所述规范值时，基于仿真结果修正3D打印过程中的打印速度、材料温度以及单位时间的打印量。
优选地，所述数值化模型的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数，与所述目标结构体的3D打印所应用材料的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数相一致。
优选地，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对应目标结构体的3D打印过程中，每一时步的浇筑特性与3D打印过程相同，每一时步的时间与3D打印过程相同。
优选地，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程中，按照下式所示方法获取所述应力变化：
其中，
为tn-1～tn时段内的所述数值化模型中单元e的平均刚度矩阵，
为tn-1～tn时段内位移增量，
为tn-1～tn时段内自重、面力、集中力系荷载引起的荷载增量，
为tn-1～tn时段内温度变化引起的荷载增量，
为tn-1～tn时段内徐变引起的荷载增量。
优选地，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程中，按照下式所示方法获取所述温度变化：
其中，a为预设的导温系数，θ为目标结构体的绝热温升，T为目标结构体的温度，τ为仿真时间，x、y、z分别为空间坐标的x、y、z三个方向。
优选地，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程中，按照下式所示方法获取所述结构开裂情况：
其中，ft0为抗拉强度；ε0为开裂时的应变，ε0＝ft0/E0；b为控制下降段的软化系数，εt为极限拉应变。
本发明的优点是：
本发明提供的大结构体3D打印的仿真监测方法，通过构建目标结构体的数值化模型，实时仿真目标结构体的3D打印过程，能够实时监测大体积结构3D打印过程中的应力、温度、质量缺陷等情况，并可反馈3D打印过程中出现的缺陷及奇异部位，以进行预警，从而可以即时纠正打印方法或采取应急补救方案。本发明可以辅助3D打印大结构体建筑，具有高效、经济、高质量的优点。
附图说明
图1是本发明的大结构体3D打印的仿真监测方法的主要步骤示意图。
图2是本发明的基于数值化模型仿真3D过程的示意图。
具体实施方式
参阅附图1，图1示例性示出了大结构体3D打印的仿真监测方法的主要步骤。如图1所示，本发明提供的大结构体3D打印的仿真监测方法，用于模拟并监测打印机对目标结构体的3D打印过程，其可以包括：
步骤S1：构建目标结构体的数值化模型并划分网格，该网格的尺寸小于或等于打印机每一时步的出料量和目标结构体的增加量。
具体地，目标结构体为打印机所要打印的目标结构，目标结构体可以是房屋、船只、大坝等结构。通过软件构建目标结构体的数值化模型，并对所构建的数值化模型划分网格，划分的网格尺寸小于或等于打印机的每一时步的出料量和打印机每一时步对应的目标结构体的增加量。打印目标结构体的方式可以是原位式打印方式，即直接打印整个目标结构体；也可以是装配式打印方式，即先打印目标结构体的各个部件，再将各个部件组装成最终的目标结构体。
步骤S2：设置数值化模型对应的浇筑步数、仿真计算时间，以及数值化模型的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数。
具体地，建立好数值化模型之后，设置数值化模型的材料参数，以及该材料参数对应的与时间相关的强度参数、凝固参数，以使得数值化模型的材料特性与3D打印所应用的材料相一致。这些参数可以提前从室内试验获取，在3D打印之前这些参数均为已知。数值化模型模拟3D打印过程的建筑步数可以依据设计好的浇筑时间来确定，以便实现与3D打印过程相一致的仿真过程。对于打印机3D打印过程的施工时间误差可以根据不同的施工材料调整仿真计算时间。对于热熔性材料(塑料类)可以小于金属类的仿真计算时间，而对于自凝固类材料(混凝土等)可以调整较长一些仿真计算时间。
步骤S3：基于数值化模型同步仿真打印机对目标结构体的3D打印过程并且输出仿真结果。其中仿真结果包括目标结构体的应力变化、形变失稳、温度变化以及结构开裂情况。
具体地，利用上述建立的数值化模型同步仿真模拟打印机的3D打印过程，针对大体积的目标结构体而言，所建立的数值化模型将会达到更大规模，数值化模型的网格数量及自由度可以上千万或者上亿，此时，需要高性能的仿真分析软件来进行仿真模拟，例如，Ansys大型有限元软件。在基于数值化模型同步仿真打印机对应目标结构体的3D打印过程中，每一时步的浇筑特性与3D打印过程相同，每一时步的时间与3D打印过程相同。
参阅附图2，图2示例性示出了基于数值化模型仿真3D打印过程的主要流程。如图2所示，左侧部分为数值化模型的网格图，在打印机进行3D打印的同时，使数值化模型进行同步仿真，以模拟打印机的3D打印过程，如图2右侧部分所示。
在基于数值化模型同步仿真打印机对目标结构体的3D打印过程中，充分考虑各项荷载后的应力和位移，可以按照公式(1)所示方法获取应力变化：
其中，
为tn-1～tn时段内的数值化模型中单元e的平均刚度矩阵，
为tn-1～tn时段内位移增量，
为tn-1～tn时段内自重、面力、集中力系荷载引起的荷载增量，
为tn-1～tn时段内温度变化引起的荷载增量，
为tn-1～tn时段内徐变引起的荷载增量。
在基于数值化模型同步仿真打印机对目标结构体的3D打印过程中，可以按照公式(2)所示方法获取温度变化：
其中，a为预设的导温系数，θ为目标结构体的绝热温升，T为目标结构体的温度，τ为仿真时间，x、y、z分别为空间坐标的x、y、z三个方向。目标结构体的瞬态温度场，其求解就是在初始条件下求得满足瞬态热传导方程及边界条件的温度场函数T(x,y,z,τ)和时间τ的关系。
在基于数值化模型同步仿真打印机对目标结构体的3D打印过程中，应力-应变关系采用指数应变软化应力-应变关系曲线，应力-应变关系，可以按照公式(3)所示方法获取结构开裂情况：
其中，ft0为抗拉强度；ε0为开裂时的应变，ε0＝ft0/E0；b为控制下降段的软化系数，εt为极限拉应变。
步骤S4：判断仿真结果是否符合预设的规范值。具体地，输出的仿真结果包括目标结构体的应力变化、形变失稳、温度变化以及结构开裂情况，可以通过判断仿真结果是否符合规范值，来判断目标结构体的3D打印过程中是否出现结构应力超标、变形失稳、温度过高、结构开裂等现象。该规范值可以包括标准规范的要求、设计的相关阈值、损伤判定标准等。
步骤S5：在仿真结果不符合规范值时，调整数值化模型对应的时步及仿真计算时间，执行步骤S3。
步骤S6：在仿真结果符合规范值时，基于仿真结果修正3D打印过程中的打印速度、材料温度以及单位时间的打印量。即在仿真结果符合规范值时，可以利用此时数值化模型对应的时步及仿真计算时间，指导打印机3D打印过程中的打印速度、材料温度以及单位时间的打印量。综上，通过仿真打印机3D打印的过程，预警3D打印过程的各种缺陷，从而精确指导并修正3D打印方法，以及时纠正缺陷。该方法可以很好解决现有技术中，打印机温度不准、打印量不知、打印速度不知、打印结构不稳的问题。
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，用于模拟并监测打印机对目标结构体的3D打印过程，所述方法包括：
步骤S1：构建所述目标结构体的数值化模型并划分网格，该网格的尺寸小于或等于所述打印机每一时步的出料量和所述目标结构体的增加量；
步骤S2：设置所述数值化模型对应的浇筑步数、仿真计算时间，以及所述数值化模型的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数；
步骤S3：基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程并且输出仿真结果；其中所述仿真结果包括目标结构体的应力变化、形变失稳、温度变化以及结构开裂情况。
2.如权利要求1所述的大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，所述方法还包括：
步骤S4：判断所述仿真结果是否符合预设的规范值；
步骤S5：在所述仿真结果不符合所述规范值时，调整所述数值化模型对应的时步及仿真计算时间，执行所述步骤S3。
3.如权利要求2所述的大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，所述方法还包括：
在所述仿真结果符合所述规范值时，基于仿真结果修正3D打印过程中的打印速度、材料温度以及单位时间的打印量。
4.如权利要求1所述的大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，所述数值化模型的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数，与所述目标结构体的3D打印所应用材料的材料参数及其对应的强度参数、凝固参数相一致。
5.如权利要求1所述的大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对应目标结构体的3D打印过程中，每一时步的浇筑特性与3D打印过程相同，每一时步的时间与3D打印过程相同。
6.如权利要求1所述的大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程中，按照下式所示方法获取所述应力变化：
其中，
为tn-1～tn时段内的所述数值化模型中单元e的平均刚度矩阵，
为tn-1～tn时段内位移增量，
为tn-1～tn时段内自重、面力、集中力系荷载引起的荷载增量，
为tn-1～tn时段内温度变化引起的荷载增量，
为tn-1～tn时段内徐变引起的荷载增量。
7.如权利要求1所述的大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程中，按照下式所示方法获取所述温度变化：
其中，a为预设的导温系数，θ为目标结构体的绝热温升，T为目标结构体的温度，τ为仿真时间，x、y、z分别为空间坐标的x、y、z三个方向。
8.如权利要求1所述的大结构体3D打印的仿真监测方法，其特征在于，在基于所述数值化模型同步仿真所述打印机对目标结构体的3D打印过程中，按照下式所示方法获取所述结构开裂情况：
其中，ft0为抗拉强度，ε0为开裂时的应变，ε0＝ft0/E0；b为控制下降段的软化系数，εt为极限拉应变。
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