CN112182911A - 一种基于力流管载荷路径的3d打印填充设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，包括下步骤：1)获取零件的主受力方向
并且按照直角坐标系方向
构建零件的三维模型，并划定零件装夹区域A和载荷施加区域B，确定约束边界Lb以及载荷边界或载荷点Lf；2)通过有限元分析获取各节点的力流场方向
并绘制力流场可视化图形；3)设定填充质量密度
以及挤出头口径d，并根据载荷的类型确定载荷施加分配方式，形成力流线的端点；4)分别绘制主区域的力流线Sm和非主区域的力流线Sr；5)按照绘制的力流线进行3D打印。与现有技术相比，本发明解决了因为孔缺陷等问题引起的局部薄弱问题，有效提高零件整体的强度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法。
背景技术
增材制造又称为3D打印技术，它的出现让制造具有更高复杂度和定制化的零件成为可能，3D打印不同于传统的铸造和切削加工方式，其制造过程是材料和结构同时生成的，其材料密度不一定是密实填充，在设计好零件外观结构尺寸以及不改变基材料特性的基础上，利用单元晶格或孔隙薄壁等结构代替密实填充可以实现零件的轻量化设计并提升强度性能，这种全新的零件设计研发方法对增材制造业有着非常深远的影响，有助于加工具有一定强度和韧性损伤容限的零件，同时还可以改善零件对外部载荷的响应性能。
零件整体结构的性能与内部填充的单元晶格或孔隙的形状、尺寸、排列分布密切相关，目前采用3D打印方法所设计的零件内部填充结构多采用线性网格或均匀蜂窝等，或者基于米歇尔桁架或主应力线等拓扑结构，但是会产生因为孔缺陷等问题引起的局部薄弱，降低零件整体的强度的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法包括下步骤：
1)获取零件的主受力方向
并且按照直角坐标系方向
构建零件的三维模型，并划定零件装夹区域A和载荷施加区域B，确定约束边界Lb以及载荷边界或载荷点Lf；
2)通过有限元分析获取各节点的力流场方向
并绘制力流场可视化图形；
3)设定填充质量密度
以及挤出头口径d，并根据载荷的类型确定载荷施加分配方式，形成力流线的端点；
4)分别绘制主区域的力流线Sm和非主区域的力流线Sr；
5)按照绘制的力流线进行3D打印。
所述的步骤2)具体为：
设定试验参数并进行有限元分析，得到所有有限元分析节点的坐标以及各节点对应的正应力σx和切应力τxy，并根据公式tanθ＝τxy/σx计算各节点的力流场方向
所述的步骤3)中，若施加的载荷类型为边界均布载荷fa，则在载荷边界Lf上均匀分布
个起始点K；若施加的载荷类型为点载荷fp，则在受力点周围划定半径为r的圆作为均布载荷边界，并按均布载荷处理。
所述的步骤4)中，绘制主区域的力流线Sm具体为：
设定步长精度Ls，从每个起始点K开始，按照力流场在该点处的矢量方向通过步进迭代画出力流线Sm，该力流线Sm所填充区域即为主区域Fm。
所述的步骤4)中，绘制非主区域的力流线Sr具体为：
在非主区域Fr内随机撒点，依据力流场画出力流线Sr，按照该区域受力强度设定线间隔对力流线进行筛选。
所述的步骤4)中，在力流线密集处，通过设定挤出因子δ控制挤出倍率，实现变挤出打印，以防止丝材叠加。
所述的步骤5)具体包括以下步骤：
51)获取模型边界及所有填充线的分段长度Li，并计算打印总体积Va，并根据打印总体积Va与模型总体积的比值Va/V反馈调节Sm和Sr的数量直至
52)根据打印挤出宽度将外轮廓向内偏置，对主区域力流线进行修剪并连接临近端点以合并曲线；
53)规划打印区域顺序，按照从右到左依次打印，形成当前层最终的力流层Flayer，并输出单层打印路径；
54)将不同主载荷方向的力流层Flayer进行层间排列，或者混合其他填充线型层，按层叠顺序逐一输出打印路径。
所述的步骤51)中，打印总体积Va的计算式为：
Va＝(πd2∑δiLi)/4。
其中，δi为填充线第i分段的挤出因子。
所述的步骤5)中，对零件装夹区域A和载荷施加区域B采用传统网格填充方式。
所述的步骤54)中，其他填充线型层包括不同主载荷方向的力流层、线性网格层、蜂窝网格层和主应力线网格层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明将力流管的理论体系应用到3D打印填充零件内部结构，改变了零件的设计和制造方式，为打造零件轻量化、提高零件性能提供可能。
2、本发明能够通过调整有限元分析网格的疏密并配合适当的步进精度，达到控制打印力流线与理论力流线的误差，兼顾精确性和经济性的平衡。
3、本发明能够通过各种排列方式层间结合不同填充线型(不同主载荷方向的力流层、线性网格层、蜂窝网格层、主应力线网格层以及其他定义下的力流层)以生成各种网格或正交结构，例如(x力流，y力流)(x力流，蜂窝，y力流)(网格，力流，网格)等。
4、本发明为区别主载荷方向的“贯穿式”力流线和局部载荷的“涡流式”力流线，对它们采用不同的生成方式，前者利用确定起始点数量自动生成，后者利用控制间隔法撒点划线后筛选。
5、本发明能够按照路径布置碳纤维，对结构进行加强。
附图说明
图1为载荷条件设置。
图2为力流场F可视化图形。
图3为力流线路径。
图4为合并主区域的力流线，形成完整打印路径。
图5为规划打印区域顺序。
图中标记说明：
D表示受力主方向，A表示装夹区域、B表示载荷施加区域、Lb表示约束边界、Lf表示载荷边界。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提出一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，并利用挤出式3D打印技术进行加工制造的技术途径，载荷路径有多种定义方式，本例具体采用的是力流管(force tube)所表征的载荷方向，该载荷路径定义能保证在主载荷方向上保持恒定的载荷传递，解决因为孔缺陷等问题引起的局部薄弱，最终提高零件整体的强度，具体步骤如下：
(1)设定零件的主受力方向
按照主受力方向与直角坐标系方向
的关系：
建立计算机三维模型；
(2)划定零件装夹区域A以及载荷施加区域B，确定约束边界Lb与载荷边界(或载荷点)Lf，如图2所示；
(3)设定试验参数，进行有限元分析，得到有限元分析节点的坐标(x，y)以及对应各点的正应力σx和切应力τxy；
(4)依据公式tanθ＝τxy/σx计算各节点的力流场方向
并绘制力流场可视化图形，如图2所示；
(5)设定填充质量密度
以及挤出头口径d，若施加的载荷为边界均布载荷fa，则在载荷边界Lf上均匀分布
个起始点K；若施加的载荷为点载荷fp，则在受力点周围划定半径为r的小圆作为均布载荷边界，按均布载荷处理；
(6)设定步长精度Ls，从各个起始点K开始，按照力流场
在该点处矢量方向，通过步进迭代画出力流线Sm，力流线所填充区域为主区域Fm；
(7)在非主区域Fr内随机撒点，依据力流场
画出力流线Sr，并且按照该区域受力强度设定线间隔对力流线进行筛选；
(8)在力流线密集处，利用挤出因子δ控制挤出倍率，实现变挤出打印，防止丝材叠加，如图3所示；
(9)计算模型边界及所有填充线(即所有的力流线Sm和力流线Sr)的分段长度Li，计算打印总体积Va＝(πd2∑δiLi)/4，并根据其与模型总体积的比值Va/V反馈调节Sm和Sr的数量直至
(10)对区域A和区域B采用传统网格填充；
(11)按打印挤出宽度将外轮廓向内偏置，按图4方式对主区域力流线进行修剪并连接临近端点以合并曲线；
(12)规划打印区域顺序，从右到左依次打印，形成最终的力流层Flayer，并输出单层打印路径，如图5所示，图中序号0-7即代表打印顺序；
(13)将不同主载荷方向的力流层Flayer按不同模式进行层间排列，也可以混合其他填充线型层，按层叠顺序逐一输出打印路径。
Claims (10)
1.一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，包括下步骤：
1)获取零件的主受力方向
并且按照直角坐标系方向
构建零件的三维模型，并划定零件装夹区域A和载荷施加区域B，确定约束边界Lb以及载荷边界或载荷点Lf；
2)通过有限元分析获取各节点的力流场方向
并绘制力流场可视化图形；
3)设定填充质量密度
以及挤出头口径d，并根据载荷的类型确定载荷施加分配方式，形成力流线的端点；
4)分别绘制主区域的力流线Sm和非主区域的力流线Sr；
5)按照绘制的力流线进行3D打印。
2.根据权利要求1所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：
设定试验参数并进行有限元分析，得到所有有限元分析节点的坐标以及各节点对应的正应力σx和切应力τxy，并根据公式tanθ＝τxy/σx计算各节点的力流场方向
3.根据权利要求1所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤3)中，若施加的载荷类型为边界均布载荷fa，则在载荷边界Lf上均匀分布
个起始点K；若施加的载荷类型为点载荷fp，则在受力点周围划定半径为r的圆作为均布载荷边界，并按均布载荷处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤4)中，绘制主区域的力流线Sm具体为：
设定步长精度Ls，从每个起始点K开始，按照力流场在该点处的矢量方向通过步进迭代画出力流线Sm，该力流线Sm所填充区域即为主区域Fm。
5.根据权利要求1所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤4)中，绘制非主区域的力流线Sr具体为：
在非主区域Fr内随机撒点，依据力流场画出力流线Sr，按照该区域受力强度设定线间隔对力流线进行筛选。
6.根据权利要求1所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤4)中，在力流线密集处，通过设定挤出因子δ控制挤出倍率，实现变挤出打印，以防止丝材叠加。
7.根据权利要求1所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤5)具体包括以下步骤：
51)获取模型边界及所有填充线的分段长度Li，并计算打印总体积Va，并根据打印总体积Va与模型总体积的比值Va/V反馈调节Sm和Sr的数量直至
52)根据打印挤出宽度将外轮廓向内偏置，对主区域力流线进行修剪并连接临近端点以合并曲线；
53)规划打印区域顺序，按照从右到左依次打印，形成当前层最终的力流层Flayer，并输出单层打印路径；
54)将不同主载荷方向的力流层Flayer进行层间排列，或者混合其他填充线型层，按层叠顺序逐一输出打印路径。
8.根据权利要求7所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤51)中，打印总体积Va的计算式为：
Va＝(πd2∑δiLi)/4。
其中，δi为填充线第i分段的挤出因子。
9.根据权利要求7所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤5)中，对零件装夹区域A和载荷施加区域B采用传统网格填充方式。
10.根据权利要求7所述的一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，其特征在于，所述的步骤54)中，其他填充线型层包括不同主载荷方向的力流层、线性网格层、蜂窝网格层和主应力线网格层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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