CN113128087A - 基于apdl的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法 - Google Patents

基于apdl的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D打印计算模拟技术。一种基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，包括步骤S1，建立FDM数字模型，定义与温度相关的材料参数，将模型划分网格；S2，选出需要做单元生死的单元；运行APDL脚本对所选单元按照栅格路径进行排列；S3，杀死所选单元后按照排列顺序依次激活单元并加载相应载荷和计算。该方法和APDL中的单元生死技术相结合，理论上可以用于打印路径为栅格路径的各种不同模型，如正方体，圆柱体，椭圆体等。该模拟方法还可以预测不同的填充走线方向对模型温度场的影响和适用于熔融沉积成型的各种材料以及打印条件，为熔融沉积成型提供一种最佳的打印方案。

Description

基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印计算模拟技术，尤其是涉及一种打印路径为栅格路径的熔融沉积成型（FDM）温度场模拟方法。
背景技术
熔融沉积成型（FDM）是Scott Crump在1988年研制出来的成型技术。熔融沉积技术的原理是根据已设计好的数字模型将熔融的线材通过喷头挤出逐层沉积直至冷却固化成型。因为FDM相比于其他3D打印技术具有成型速度快，材料来源广泛以及机器工作条件要求低等优点，所以FDM是目前3D打印技术所为常用的成型工艺。熔融沉积技术所用到的线材一般为热塑性材料，在打印的过程中，热塑性材料会经历受热熔融再到挤出后冷却固化的过程。3D打印逐层按照路径打印的特点会导致打印成型的模型内部存在很大的温度梯度，从而导致模型收缩不均匀而产生翘曲或者分层。模型变形的情况取决于材料的热学性能以及打印条件。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出一种基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型（FDM）温度场模拟方法。
该模拟方法核心部分是提供了一种栅格路径的单元排序方法，该方法和APDL中的单元生死技术相结合就可以用于打印路径为栅格路径的各种不同模型，如正方体，圆柱体，椭圆体等。该模拟方法还可以预测不同的填充走线方向对模型温度场的影响和适用于熔融沉积成型的各种材料以及打印条件，为熔融沉积成型提供一种最佳的打印方案。
本发明采用的技术方案：
一种基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，包括如下步骤：
S1，建立FDM数字模型，定义与温度相关的材料参数，将模型划分网格；
S2，选出需要做单元生死的单元；运行APDL脚本对所选单元按照栅格路径进行排列；
S3，杀死所选单元后按照排列顺序依次激活单元并加载相应载荷和计算。把模拟喷头温度加载到刚激活的单元上，然后加载整个模型的环境温度以及表面换热系数，设置时间步长。
步骤S2中，对所选单元按照栅格路径进行排列的过程如下:
S2-1，选择需要排序的单元；
S2-2，存储已经排序的单元，顺序数组排满，结束排序；如果顺序数组没有排满，执行下一步；
S2-3，将单元编号写进编号数组；
S2-4，将单元的形心坐标写进坐标数组；
S2-5，通过比较找到Y坐标和Z坐标都是最小的单元A；
S2-6，判断单元A是否与前一单元在同一层，如是，执行下一步；如否，则改变局部坐标系，返回步骤S2-1，重新执行上述各步骤；
S2-7，筛选出与单元A在同一行上的单元；
S2-8，将筛选出来的单元形心的X坐标写进数组；
S2-9，排序，并把单元写进顺序数组；
S2-10，删除已排序的单元；返回步骤S2-1，重新执行上述各步骤。
步骤S1中，模型划分网格时的单元尺寸应与熔融沉积成型过程中的打印喷头的大小相符，单元形状不受限制，为了计算的精确性，采用六面体单元；网格划分方式采用映射划分或者扫描划分。步骤S2中选出需要做单元生死的单元，并且通过*get命令得到单元的数量，以方便创建相关数组；因为步骤S2-2是排序循环中的结束判定语句，若S2-2出现错误则排序循环进入无限循环中。所以S2-2中的顺序数组的范围必须与权利要求6中*get命令得到的单元数量相一致。
步骤S2-6中，改变局部坐标系的具体命令是：
local,l,0,0,0,0,0,0,m （1）
其中l坐标系的代号；命令中m是指局部坐标系相对全局坐标系的Y轴旋转偏移量，代表着熔融沉积成型技术中的填充走线方向参数。
步骤S2-7和S2-8中，筛选出与单元A在同一行上的单元其目的是模拟熔融沉积成型中的每一次的直线打印，其具体操作过程脚本如下：
*do,f,1,numsel1
*if,ey(f),ge,miny-p1,and,ey(f),le,miny+p1,then
*if,ez(f),ge,minz,and,ez(f),le,minz+p2,then
b1=b1+1
prex(b1)=ex(f)
prey(b1)=ey(f) （2）
prez(b1)=ez(f)
preorder(b1)=nume(f)
*endif
*endif
*enddo
其中p2表示打印喷头的半径。
本发明是基于大型通用有限元分析软件ANSYS去模拟打印模型时的温度场，通过温度模拟去预测不同打印条件下模型的温度梯度从而预测模型的变形情况。该模拟方法是采用APDL中的单元生死技术，先把所选的单元全部杀死，再按照打印路径依次复活单元，从而达到模拟3D打印的效果。在模拟过程中，APDL划分网格后的单元序号是不符合打印路径要求的，并且对于几万个甚至是几十万个网格采用逐个指定单元复活的方法是不现实的，所以把所选单元按照打印路径排序是该模拟方法的关键。
发明有益效果：
1、本发明基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，主要是通过脚本对单元进行排序后结合单元生死技术来实现的，可以模拟栅格打印路径的不同模型和不同填充走线方向的熔融沉积成型温度场。该方法主要用于预测FDM模型成型情况，为更好打印模型提供参考方案。
2、本发明于APDL的栅格路径的熔融沉积成型（FDM）温度场模拟方法，可以用于打印路径为栅格路径的各种不同模型、不同的填充走线方向、不同材料以及不同打印条件的温度场仿真，为熔融沉积成型提供一种最佳的打印方案。
附图说明
图1是正方体模型熔融沉积成型温度场云图（填充走线方向为[0，90]）；
图2是正方体模型熔融沉积成型温度场云图（填充走线方向为[0，45]）；
图3是椭圆柱体模型熔融沉积成型温度场云图（填充走线方向为[0，45]）；
图4为本发明基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法排序流程。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，结合附图对本发明技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本发明基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立FDM数字模型，运用命令流定义与温度相关的材料参数，将模型划分网格；
步骤S2；选出需要做单元生死的单元，运行APDL脚本对所选单元按照栅格路径进行排列；
步骤S3，杀死所选单元后按照排列顺序依次激活单元并加载相应载荷和计算。把模拟喷头温度加载到刚激活的单元上，然后加载整个模型的环境温度以及表面换热系数，并设置时间步长。
参见图4，步骤S2中，对所选单元按照栅格路径进行排列的具体过程如下:
S2-1，选择需要排序的单元；
S2-2，存储已经排序的单元，顺序数组排满，结束排序；如果顺序数组没有排满，执行下一步；
S2-3，将单元编号写进编号数组；
S2-4，将单元的形心坐标写进坐标数组；
S2-5，通过比较找到Y坐标和Z坐标都是最小的单元A；
S2-6，判断单元A是否与前一单元在同一层，如是，执行下一步；如否，则改变局部坐标系，返回步骤S2-1，重新执行上述各步骤；
S2-7，筛选出与单元A在同一行上的单元；
S2-8，将筛选出来的单元形心的X坐标写进数组；
S2-9，排序，并把单元写进顺序数组；
S2-10，删除已排序的单元；返回步骤S2-1，重新执行上述各步骤。
步骤S1中，所计算的FDM数字模型可以采用APDL参数化建模，也可以采用从外部导入。模拟的材料是可用于熔融沉积成型技术的任何材料。基于温度场分析，需要导入材料的相关材料参数。模拟时所需要的材料的热力学属性包括密度、比热容、热膨胀系数、导热系数、表面换热系数、热扩散系数、杨氏模量。其中，材料FDM的路径大小、填充走线方向以及模型划分网格的方式都是可选的。基于S2中排序脚本，模拟的模型形状不受限制。
本发明可以用于模拟熔融沉积成型的过程，因为采用了数组单元的排序，理论上可以使得本发明基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法可以直接用于任何模型上。
实施例2
本实施例基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，与实施例1不同的是，步骤S1中，模型划分网格时的单元尺寸应与熔融沉积成型过程中的打印喷头的大小相符，单元形状不受限制，为了计算的精确性，采用六面体单元；网格划分方式采用映射划分或者扫描划分。步骤S2中选出需要做单元生死的单元，并且通过*get命令得到单元的数量，以方便创建相关数组；因为步骤S2-2是排序循环中的结束判定语句，若S2-2出现错误则排序循环进入无限循环中。所以S2-2中的顺序数组的范围必须与*get命令得到的单元数量相一致。
实施例3
本实施例基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，与实施例1或实施例2不同的是：步骤S2-6中，改变局部坐标系的具体命令是：
local,l,0,0,0,0,0,0,m （1）
其中l坐标系的代号；命令中m是指局部坐标系相对全局坐标系的Y轴旋转偏移量，代表着熔融沉积成型技术中的填充走线方向参数。
步骤S2-7和S2-8中，筛选出与单元A在同一行上的单元其目的是模拟熔融沉积成型中的每一次的直线打印，其具体操作过程脚本如下：
*do,f,1,numsel1
*if,ey(f),ge,miny-p1,and,ey(f),le,miny+p1,then
*if,ez(f),ge,minz,and,ez(f),le,minz+p2,then
b1=b1+1
prex(b1)=ex(f)
prey(b1)=ey(f) （2）
prez(b1)=ez(f)
preorder(b1)=nume(f)
*endif
*endif
*enddo
其中p2表示打印喷头的半径。
实施例4
本实施例为正方体模型熔融沉积成型温度场模拟方法实现方案（填充走线方向为[0，90]）：
（1）导入24mm*24mm*24mm的模型，运用命令流定义与温度相关的材料参数，划分网格；
（2） 选出需要做单元生死的单元，运行APDL脚本对所选单元按照栅格路径进行排列；
（3）杀死所选单元后按照排列顺序依次激活单元并加载相应载荷和计算。
其中（1）中的模型可以从外部导入，（1）、（2）和（3）的具体操作见如下脚本。得到的熔融沉积成型温度场模型温度云图如图1。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 495617DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）。
实施例5
本实施例为正方体模型熔融沉积成型温度场模拟方法实现过程（填充走线方向为[0，45]）：
（1）导入24mm*24mm*24mm的模型，运用命令流定义与温度相关的材料参数，划分网格；
（2） 选出需要做单元生死的单元，运行APDL脚本对所选单元按照栅格路径进行排列；
（3）杀死所选单元后按照排列顺序依次激活单元并加载相应载荷和计算。
其中（1）中的模型可以从外部导入，（1）、（2）和（3）的具体操作见如下脚本。得到的熔融沉积成型温度场模型温度云图如图2所示。
Figure 209495DEST_PATH_IMAGE004
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（2）
Figure 290365DEST_PATH_IMAGE006
（3）。
实施例6
本实施例为椭圆柱体模型熔融沉积成型温度场模拟方法实现过程（填充走线方向为[0，45]）：
（1）导入长轴为30mm，短轴为20mm，高为24mm的椭圆柱体模型，运用命令流定义与温度相关的材料参数和划分网格；
（2） 选出需要做单元生死的单元，运行APDL脚本对所选单元按照栅格路径进行排列；
（3）杀死所选单元后按照排列顺序依次激活单元并加载相应载荷和计算。
其中（1）中的模型可以从外部导入，（1）、（2）和（3）的具体操作见如下脚本。得到的熔融沉积成型温度场模型温度云图如图3所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（1）
Figure 482311DEST_PATH_IMAGE008
（2）
Figure 562263DEST_PATH_IMAGE003
（3）。
尽管展示优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于以上所述的实施例中，应当明白本发明权利要求概括的范围。在本发明的引导下，本领域的工作者应意识到对本发明的实施例进行一定改变都会被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。

Claims (6)

1.一种基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，包括如下步骤：
S1，建立FDM数字模型，运用命令流定义与温度相关的材料参数，将模型划分网格；
S2；选出需要做单元生死的单元，对所选单元按照栅格路径进行排列；其过程如下:
S2-1，选择需要排序的单元；
S2-2，存储已经排序的单元，顺序数组排满，结束排序；如果顺序数组没有排满，执行下一步；
S2-3，将单元编号写进编号数组；
S2-4，将单元的形心坐标写进坐标数组；
S2-5，通过比较找到Y坐标和Z坐标都是最小的单元A；
S2-6，判断单元A是否与前一单元在同一层，如是，执行下一步；如否，则改变局部坐标系，返回步骤S2-1，重新执行上述各步骤；
S2-7，筛选出与单元A在同一行上的单元；
S2-8，将筛选出来的单元形心的X坐标写进数组；
S2-9，排序，并把单元写进顺序数组；
S2-10，删除已排序的单元；返回步骤S2-1，重新执行上述各步骤；
S3，杀死所选单元后按照排列顺序依次激活单元并加载相应载荷和计算。
2.根据权利要求1所述基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，其特征在于：步骤S1中，模型划分网格时的单元尺寸应与熔融沉积成型过程中的打印喷头的大小相符，单元形状不受限制，为了计算的精确性，采用六面体单元；网格划分方式采用映射划分或者扫描划分。
3.根据权利要求1或2所述基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，其特征在于：步骤S2中选出需要做单元生死的单元，并且通过*get命令得到单元的数量，以方便创建相关数组；步骤S2-2中，顺序数组的范围与通过*get命令得到的单元数量相一致。
4.根据权利要求3所述基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，其特征在于：
步骤S2-6中，改变局部坐标系的具体命令是：
local,l,0,0,0,0,0,0,m （1）
其中l坐标系的代号；命令中m是指局部坐标系相对全局坐标系的Y轴旋转偏移量，代表着熔融沉积成型技术中的填充走线方向参数。
5.根据权利要求4所述基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，其特征在于：步骤S2-7和S2-8中，筛选出与单元A在同一行上的单元其目的是模拟熔融沉积成型中的每一次的直线打印，其具体操作过程脚本如下：
*do,f,1,numsel1
*if,ey(f),ge,miny-p1,and,ey(f),le,miny+p1,then
*if,ez(f),ge,minz,and,ez(f),le,minz+p2,then
b1=b1+1
prex(b1)=ex(f)
prey(b1)=ey(f) （2）
prez(b1)=ez(f)
preorder(b1)=nume(f)
*endif
*endif
*enddo
其中p2表示打印喷头的半径。
6.根据权利要求1、2、4或5所述基于APDL的栅格路径的熔融沉积成型温度场模拟方法，其特征在于：步骤S3中，把模拟喷头温度加载到刚激活的单元上，然后加载整个模型的环境温度以及表面换热系数，设置时间步长。
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