CN113496093A - 有限元模拟方法及系统、计算机设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种有限元模拟方法、系统，计算机设备以及计算机可读存储介质；通过依照时间步将打印路径离散为多个分段，在每一分段内设置基本单元并依照打印的时间序列激活，在模拟打印的过程中，并考虑了材料的温度相关松弛行为以及流动剪切现象，在基本单元表面设置热学接触与力学接触，耦合温度场与应力场进行计算，通过热‑力‑化学全耦合有限元模拟方法获得贴近于实际打印的结果；再者，考虑了初始残余应力进行打印过程模拟，可用于分析初始残余应力导致的打印件变形的状况，由计算获得的温度数据与应变数据可评价不同打印参数设置下的打印物件性能，所述有限元模拟方法即可提供数据以支持对打印参数的调整。

Description

有限元模拟方法及系统、计算机设备及存储介质

技术领域

本申请涉及计算机数据处理领域，尤其涉及一种针对熔融沉积打印的有限元模拟方法、系统，计算机设备以及计算机可读存储介质。

背景技术

现有的熔融沉积打印切片软件中，采用纯几何的方式确定打印路径和打印参数，无法有效保证打印速度和最终打印产品的性能如形状畸变、层间粘接、弹性模量和强度等。基于现有的切片技术的对打印过程进行分析以及对获得的物件进行性能评价以调整打印路径与打印参数，难以实现对打印过程的材料温度场与应力场变化状态的追踪，同时需要承担高昂的经济成本与时间成本。

发明内容

鉴于以上所述相关技术的缺点，本申请的目的在于提供一种有限元模拟方法、系统，计算机设备以及计算机可读存储介质，以解决现有技术中难以实现对打印过程的材料温度场与应力场变化状态的追踪，同时需要承担高昂的经济成本与时间成本等技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请公开一种物件三维模型的有限元模拟方法，包括以下步骤：读取所述物件三维模型的G-Code数据及设置的打印信息，所述打印信息包括打印材料的属性信息；依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息；依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元，所述基本单元是基于所述物件三维模型预设的；依据所述打印路径的打印时间序列及确定的时间步依序激活所述物件三维模型中的基本单元；利用预设的模型对所述物件三维模型中被激活的各基本单元进行耦合模拟计算，以获得描述所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述G-Code数据包括打印头的打印路径、打印头的移动速度、打印材料输出速度、打印材料加热温度、打印设备的构件板加热温度中的一种或多种信息。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述打印信息还包括设备参数信息，所述设备参数信息包括：打印基板温度、打印腔室温度、挤出头直径、挤出头温度、丝材最高加热温度。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述打印材料的属性信息包括丝材类型、丝材直径、及丝材截面形状中的一种或多种信息。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息的步骤包括：为所述G-Code数据中的打印路径建立坐标系；自所述G-Code数据中获取所述打印路径的打印顺序及打印速度，以获得所述打印路径的打印时间序列；依据预设的时间步将所述打印路径进行网格划分，以离散为多个分段，以使各该分段对应其预设的时间步；记录每一时间步的起点坐标和终点坐标。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述的依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中，所述基本单元为杆单元。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述有限元模拟方法还包括：依据所述物件三维模型中的当前打印层与上一打印层之间的相对位置，在所述当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立传热接触和/或力学接触的步骤。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述建立传热接触和/或力学接触的步骤为在所述物件三维模型中的当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中，所述基本单元为六面体单元。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤包括：依据预设的基本单元以及所述物件三维模型的轮廓建立一模拟域；在所述模拟域中，依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述有限元模拟方法还包括在所述模拟域中依据所述打印材料的属性信息沿所述打印路径建立包络范围的步骤。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括设置判断条件的步骤：判断所述基本单元是否处于所述包络范围内，若处于以包络范围内，则激活该单元；若未处于所述包络范围内，则不激活该单元。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括：依据所述打印时间序列为所述打印路径中需要激活的基本单元赋予方向矢量，使所述打印路径中各基本单元的材料方向顺延所述打印路径的方向。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述有限元模拟方法还包括获取所述取打印材料的初始残余应力的步骤，以基于所述初始残余应力，利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合温度位移模拟。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合模拟计算的步骤中，所述耦合模拟计算为在预设有边界条件下的耦合模拟计算，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件。

在本申请第一方面的某些实施方式中，所述利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合模拟计算的步骤中，所述预设的模型包括用以描述所述打印材料的力学变形的线性粘弹性模型，或/和用以描述所述打印材料的热传导行为的横观各向同性热传导模型或正交各向异性热传导模型。

本申请在第二方面还公开了一种物件三维模型的有限元模拟系统，包括：预处理模块，用于读取所述物件三维模型的G-Code数据及设置的打印信息，并接收到离散指令时依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息，所述打印信息包括打印材料的属性信息；生成模块，用于接收到生成指令时依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元，所述基本单元是基于所述物件三维模型预设的；激活模块，用于接收到激活指令时依据所述打印路径的打印时间序列及确定的时间步依序激活所述物件三维模型中的基本单元；模拟计算模块，用于利用预设的模型对所述物件三维模型中被激活的各基本单元进行耦合模拟计算，以获得描述所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述预处理模块离散所述G-Code数据中的打印路径的步骤包括：为所述G-Code数据中的打印路径建立坐标系；自所述G-Code数据中获取所述打印路径的打印顺序及打印速度，以获得所述打印路径的打印时间序列；依据预设的时间步将所述打印路径进行网格划分，以离散为多个分段，以使各该分段对应其预设的时间步；记录每一时间步的起点坐标和终点坐标。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述生成模块中的基本单元为杆单元。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述生成模块还用于依据所述物件三维模型中的当前打印层与上一打印层之间的相对位置，在所述当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立传热接触和/或力学接触。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述建立传热接触和/或力学接触为在所述物件三维模型中的当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述生成模块中的基本单元为六面体单元。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述生成模块依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤包括：依据预设的基本单元以及所述物件三维模型的轮廓建立一模拟域；在所述模拟域中，依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述生成模块还用于在所述模拟域中依据所述打印材料的属性信息沿所述打印路径建立包络范围。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述生成模块还用于判断所述基本单元是否处于所述包络范围内，若处于以包络范围内，则激活该单元；若未处于所述包络范围内，则不激活该单元。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述生成模块还用于依据所述打印时间序列为所述打印路径中需要激活的基本单元赋予方向矢量，使所述打印路径中各基本单元的材料方向顺延所述打印路径的方向。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述预处理模块还用于获取所述取打印材料的初始残余应力，以使所述模拟计算模块基于所述初始残余应力，利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合温度位移模拟。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述模拟计算模块中的耦合模拟计算为在预设有边界条件下的耦合模拟计算，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件。

在本申请第二方面的某些实施方式中，所述预设的模型包括用以描述所述打印材料的力学变形的线性粘弹性模型，或/和用以描述所述打印材料的热传导行为的横观各向同性热传导模型或正交各向异性热传导模型。

本申请在第三方面还公开了一种计算机设备，包括：存储装置，用于存储至少一个程序，以及预设的模拟计算模型；处理装置，与所述存储装置相连，用于执行所述至少一个程序，以调用所述存储装置中所述至少一个程序执行并实现如本申请第一方面公开的任一实施方式中所述的有限元模拟方法；显示装置，用于显示所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

本申请在第四方面还公开了一种计算机可读存储介质，存储至少一种程序，所述至少一种程序被处理器执行时实现如本申请第一方面公开的任一实施方式中所述的有限元模拟方法。

综上所述，本申请提供的有限元模拟方法及系统具有以下有益效果：通过依照时间步将打印路径离散为多个分段，在每一分段内设置基本单元并依照打印的时间序列激活，在模拟打印的过程中，采用线性粘弹性模型描述材料的力学变形，并考虑了材料的温度相关松弛行为以及流动剪切现象，在基本单元表面设置热学接触与力学接触，耦合温度场与应力场进行计算，通过热-力-化学全耦合有限元模拟方法获得贴近于实际打印的结果；再者，本申请的有限元模拟方法考虑了初始残余应力进行打印过程模拟，可用于分析初始残余应力导致的打印件变形的状况，由计算获得的温度数据与应变数据可评价不同打印参数设置下的打印物件性能，所述有限元模拟方法即可提供数据以支持对打印参数的调整。

附图说明

本申请所涉及的发明的具体特征如所附权利要求书所显示。通过参考下文中详细描述的示例性实施方式和附图能够更好地理解本申请所涉及发明的特点和优势。对附图简要说明书如下：

图1显示为本申请的有限元模拟方法在一实施例中的流程示意图。

图2显示为本申请的有限元模拟方法中的打印路径在一实施例中的简化示意图。

图3显示为图1中步骤S11的执行方式在一实施例中的流程示意图。

图4显示本申请的有限元模拟方法中离散的打印路径在一实施例中的简化示意图。

图5a显示为本申请的有限元模拟方法在模拟打印中的简化模型示意图。

图5b显示为本申请的有限元模拟方法在模拟打印中的简化模型示意图。

图6a显示为本申请的有限元模拟方法在模拟打印中的简化结构示意图。

图6b显示为本申请的有限元模拟方法在模拟打印中的简化结构示意图。

图7a显示图1中步骤S12的执行过程在一实施例中的流程示意图。

图7b显示图1中步骤S12的执行过程在一实施例中的流程示意图。

图7c显示为图7b中截面C的放大示意图。

图8a显示为本申请的有限元模拟方法的模拟打印过程在一实施例中的简化示意图。

图8b显示为本申请的有限元模拟方法的模拟打印过程在一实施例中的简化示意图。

图8c显示为本申请的有限元模拟方法模拟打印过程在一实施例中的简化示意图。

图8d显示为本申请的有限元模拟方法的模拟打印过程在一实施例中的简化示意图。

图9显示为本申请的有限元模拟系统在一实施例中的简化结构示意图。

图10显示为本申请的计算机设备在一实施例中的简化结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

在3D打印工艺中，以熔融沉积工艺的3D打印为例，所述熔融沉积工艺亦被称之为FDM打印(Fused Deposition Modelling,熔融沉积打印，简称FDM)，打印中材料以高温流体状态加入，而后挤出冷却。在打印过程中，材料以熔融状态逐渐增加，或者通过移动的热源(例如加热元件)使其处于熔融状态，之后在连续演变的表面上发生冷却。

为便于对本申请提供的有限元模拟方法与系统的说明，本申请提供的实施例中采用的坐标系为直角三维坐标，三维坐标的方向分别为X、Y、Z方向，对应为所模拟的实际打印中，Z方向为水平面的法线方向也即一般的垂直于打印工作面的方向。

请参阅图1，显示为本申请的有限元模拟方法在一实施例中的流程示意图。

示例性的，所述有限元模拟方法可在具有处理功能的设备中执行，例如处理器使用可选的预设密度的任意类型的网格将现实世界对象的表示为离散化成多个有限元，其中有限元是现实世界对象的几何部分的描述。所述设备可以是任何具有数学和逻辑运算、数据处理能力的计算设备，其包括但不限于：个人计算机设备、单台服务器、服务器集群、分布式服务端、云服务端等。

在本申请的实施例中，所述有限元模拟方法利用数学近似的方法对真实物理系统(如几何和载荷工况)进行模拟，特别的，本申请提供的有限元模拟方法可用于模拟现实中的3D打印过程，例如FDM打印。

如图所示，所述有限元模拟方法包括以下步骤：

在步骤S10中，读取所述物件三维模型的G-Code数据及设置的打印信息，所述打印信息包括打印材料的属性信息。

所述物件三维模型可以为任意设计的三维模型，一般为用于3D打印的物件实体对应的三维模型如模具模型、医疗治具模型、定制商品模型比如鞋底模型或者牙齿模型等。在某些实施方式中，S10中包括将物件三维模型转换为G-Code数据或直接生成以G-Code数据表示的三维模型的步骤。其中，所述物件三维模型可通过计算机辅助设计(CAD)软件生成，在实践中，用于实现三维建模的软件包括但不限于Autocad、Aurodesk123D、Tinkercad、Solidworks，Pro-E、Catia、Cimatron、Sketchup、OpenScad、UG、3D max、maya、Rhino、Blender等等。

所述G-Code数据主要为数控编程语言，在实践中可以具有多种表示的版本。所述物件三维模型的数据可以是任何已知的格式，包括但不限于标准镶嵌语言(StandardTessellation Language，STL)或立体光刻轮廓(Stereo Lithography Contour，SLC)格式、虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)、积层制造档案(Additive Manufacturing File，AMF)格式，绘图交换格式(Drawing Exchange Format，DXF)、多边形档案格式(Polygon File Format，PLY)的形式或适用于计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)的任何其他格式。

在实践中，G-Code数据包括一系列具有先后执行顺序的空间坐标点，所述物件三维模型的G-Code数据即为以坐标和时间序列或先后顺序表示的三维模型，例如，在具有处理的功能的计算设备中输入所述G-Code数据，顺应G-Code数据每一空间坐标点的顺序形成的路径即构成物件三维模型。

具体的，所述读取G-Code数据及设置的打印信息的过程即可由处理设备执行，并对读取的数据执行后续的处理，在某些实施例中，可在处理设备的有限元系统中实现该处理过程。

在某些实施方式中，所述G-Code数据包括打印头的打印路径、打印头的移动速度、打印材料输出速度、打印材料加热温度、打印设备的构件板加热温度中的一种或多种信息。

通常在FDM打印中，将丝状的热熔性材料经过送丝机构(一般为辊子)送进热熔喷嘴，在喷嘴内丝状材料被加热熔融，同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运动，并将熔融的材料挤出，使其沉积在指定的位置后凝固成型，与前一层己经成型的材料粘结，层层堆积最终形成产品模型。

应理解的，所述打印头为FDM类型的3D打印设备中的加热头(亦称加热嘴、喷头或喷嘴)，用于对作为3D打印原材料的丝材加热熔融成液态的材料涂抹在构件板上；所述构件板(亦称构件平台或打印平台)是用于附着目标3D构件的平台，其并可根据由计算机操作的控制器提供的信号沿垂直的Z轴线运动。

在本申请的有限元模拟方法中，所述打印头可以为虚拟的打印头如仿真模拟软件中虚拟建模的打印头或由功能等效的打印头。由打印头定义的参数如打印路径、打印头移动速度、以打印头为移动热源的加热温度等可基于实际打印中的打印头数据进行设置，也可人为设定。在有限元模拟的一些实施例中，所述打印头可作为输送打印材料的起始点，显示为由所述打印移动速度与打印路径确定其位置的截面。其中，所述由功能等效的打印头通过将赋予打印材料打印头的影响以实现，如赋予打印材料顺应打印头预定路径增加的过程、打印头对挤出的打印材料温度影响等，而在实施例的有限元模拟方法中无需建立打印头模型。

请参阅图2，显示为本申请的有限元模拟方法中的打印路径在一实施例中的简化示意图。

所述打印路径即为具有先后顺序排列的一系列坐标点，基于打印头移动速度信息即可确定打印路径中各个坐标点对应的模拟时间。如图2所示，所述空间坐标点可以为三维坐标点，在某些实施方式中，也可以为多组二维坐标点例如为X、Y方向的坐标点，每一组二维坐标点共用一个Z坐标，也即所述打印路径为不连续的多组打印路径，其中每一组打印路径在同一水平面上。

打印材料的输出速度是以打印头为起点，在打印环境中添加材料的速度。打印材料的加热温度为材料从打印头挤出或输出时的初始温度。所述打印设备的构件板加热温度对应为实际打印中的构件板温度，在有限元模拟环境中可为恒温的接触面或以预设的规律升温或散热的接触面，所述接触面即为第一层打印材料的承接面也即模型底面。

在某些实施方式中，所述打印信息还包括设备参数信息，所述设备参数信息包括打印基本温度、打印腔室温度(所述打印腔室亦被称为成型室)、打印头直径、打印头温度、打印材料最高加热温度。

所述打印基板温度为用于承载打印物件的构件板温度，通常，所述打印基板温度为一预设的恒定值，在本申请的模拟方法中，在模型最底部的边界条件为，取预设固定值的恒定温度，用于模拟打印中的打印基板温度；又或，对所述打印基板的温度为非常数，在模拟中将模型底部的温度设置为打印基板的温度变化函数。

所述打印腔室温度对应为实际打印中的成型腔室内温度，在有限元模拟环境中可对应为预设的腔室体积内的温度，所述腔室体积可由选定的平面或弧面等构成，并在施加或定义与实际腔室等效的换热条件与材料类型，以模拟真实打印场景。在某些实施方式中，所述打印腔室温度在有限元模拟中可用打印环境的等效加热速度或冷却速度定义，所述等效加热速度或冷却速度可由基于实际打印环境的边界条件获得的热传导公式或经验公式定义。

所述打印头通常默认为圆形截面和多边形截面(比如正方形、矩形、菱形、五边形或六边形等形状的截面)，通过打印头直径即可确定将打印材料输送至打印腔室进行冷却成型的截面。在某些实施方式中，所述打印头形状可为其余几何图形，根据预设的打印头形状定义几何参数。

所述打印头温度可作为打印材料的移动热源，打印头温度对打印材料的影响表现为打印头内轮廓与其内部的熔融状待打印材料之间的热传导。

所述打印材料最高加热温度为对于特定打印材料，将其熔融挤出冷却成型的过程中为保持打印物性能所允许的温度上限，例如温度过高导致打印材料的翘曲和收缩。基于该打印信息作为温度限制条件，以避免由所述有限元模拟方法对打印过程的模拟分析获得的结果在实际打印中因温度损害打印质量。

所述打印材料包括PLA(Polylactic acid，聚乳酸)、ABS(AcrylonitrileButadiene Styrene丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚氨酯TPU、TPE材料(热塑性弹性体)、热塑性弹性体、尼龙、碳纤维材料(例如为Carbon Fiber)、半结晶热塑性塑料、Metal PLA/Metal ABS金属质感PLA/ABS材料、PEEK材料、FDM导电丝材、Glow-in-the-Dark夜光材料(比如在PLA或ABS中添加不同颜色的荧光剂)、Wood木质感材料(通过在PLA中混合定量的木质纤维)等。

所述打印材料的属性信息为与材料类型相关的特性信息，可以为诸如物理性能如比热容或热传导性能、密度、熔点、玻璃化温度、力学性能、化学性能等通常不同材料对应为不同特性的参数信息。

在某些实施方式中，所述打印材料的属性信息包括丝材类型、丝材直径、及丝材截面形状中的一种或多种信息。所述丝材类型即为打印材料类型，由确定的丝材类型信息，即可获得对应的由材料特性决定的不同信息如导热系数、比热容、玻璃化温度、弹性模量等。

所述丝材直径为打印材料从打印头被挤出的直径，在某些实施方式中，所述丝材为圆截面，通过定义打印头移动速度与丝材直径即可对应获得丝材的挤出速度。

所述丝材截面形状为丝材从打印头处被挤出后在连续演变的表面上冷却的过程中用于堆叠形成构件的丝材截面形状。通常，在理想情况下，所述丝材截面形状在打印头位置处为同一形状，而后在打印中基于不同区域的传热状态及力学状态等，成型后的丝材截面可能演变为不同形态。在所述有限元模拟方法的一实施例中，所述丝材截面形状为在打印头处刚挤出位置的丝材截面形状。

在步骤S11中，依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息。

所述预设的时间步为可人为设定的时间间隔，将G-Code数据中连续的打印路径或对应为较长打印时间的一段打印路径以预设的时间间隔离散，形成多个时间间隔对应的打印路径，所述多个时间间隔之间的打印路径首尾相接，并且，获得每一时间间隔也即所述预设实时间步对应的打印路径起点及终点。

请参阅图3，显示为图1中执行步骤S11在一实施例中的流程示意图。如图所示，离散打印路径并获得每一时间步起点及终点的步骤包括：

在步骤S110中，为所述G-Code数据中的打印路径建立坐标系。

一般的，处理设备在S100中读取的G-Code数据中所述打印路径中包括有路径坐标点对应采用的坐标系，在某些实施方式中，读取G-Code数据后可采用原打印路径坐标系，又或，建立新的坐标系并后续进行打印路径在新坐标系下的坐标变换。例如，新建立另一三维直角坐标系，将G-Code数据的打印路径进行平移或翻折，获得打印路径在新坐标系下的空间坐标。

在步骤S111中，自所述G-Code数据中获取所述打印路径的打印顺序及打印速度，以获得所述打印路径的打印时间序列。

基于已确定坐标位置的打印路径，获取打印路径中坐标点的先后顺序即打印顺序以及打印速度。所述打印速度可由打印头移动速度直接获取，又或基于丝材直径或丝材截面形状与挤出速度获得。基于打印路径、打印顺序及打印速度信息，即可获得任意截取的一端打印路径对应的坐标位置与打印速度，容易得知可由路径与速度的关系推知不同坐标点对应的时间点。在某些实施方式中，将打印路径中的起始点设置为零时刻点，通过打印顺序与打印速度获得每一坐标点对应的时间，即可获得时间序列。

在实际场景中，在处理设备的有限元系统中读取G-Code数据后，可自动建立坐标系并获得打印路径的时间序列。

在步骤S112中，依据预设的时间步将所述打印路径进行网格划分，以离散为多个分段，以使各该分段对应其预设的时间步。

在某些实施方式中，所述G-Code数据中打印路径的坐标点信息为路径转角处的坐标点信息，例如，在一条连续的线段上，打印路径中包括线段两端点处的坐标。

所述预设的时间步用于将打印过程进行分段，例如，将在10s内完成的对一段打印路径分散为10段均以1s为时间步步长的路径分段。在某些实施方式中，从打印开始至结束的过程中每一时间步等长，在某些实施方式中，所述时间步的时长取值不同，例如，所述时间步可以为1s和2s或者其他可以设定的时间段。

请参阅图4，显示本申请的有限元模拟方法中离散的打印路径在一实施例中的简化示意图。如图4所示，所述打印路径在网格划分后分散为多个时间步对应的离散单元。图4所示实施例中为处于同一打印层的连续的打印路径，通过网格划分后在打印路径上形成多个离散点即图中显示的路径上的节点，形成多个相接的离散单元段。其中，两个相邻离散点之间的一个单元段即对应为一时间步内如1s内的打印路程。

对当前坐标系下包括打印路径的一定范围进行网格划分，通过网格与打印路径交点获得打印路径上的离散点。通常，所述网格划分的步骤中包括还包括对网格类型与网格大小选取，在一实施例中，所采用的网格类型基本单元为面上的正四边形网格，又或在体上的立方体网格；确定网格类型后，依据预设时间步与打印速度确定网格基本单元的边长确定网格参数，又或可基于线段数目划分打印路径确定对应的网格边长；而后由划分网格获得打印路径与网格单元相交形成的离散点。通过有限元网格划分，对应于所模拟的实际环境中即为打印路径离散化为多个有限元。

在某些实施方式中，采用混合网格划分，获得对应有不同时间步长的离散通单元。

在某些实施方式中，通过固定时间步长或基于线段数目均等分段确定网格边长，将打印路径从长度不同的线段划分为等长的离散单元，使得每一时间步长内打印头移动路程相同。

在步骤S113中，记录每一时间步的起点坐标和终点坐标。

所述每一时间步的地点坐标和终点坐标即为网格划分后的离散点坐标，记录每一时间步对应的离散点坐标。依据选取的时间步长，可获得不同的起点坐标与终点坐标，例如，期望时间步长为1s，即获得每个1s的时间步长对应的打印头移动路径的起点坐标与终点坐标。如图3所示，顺应打印路径的两相邻离散点坐标分别对应一个时间步内的起点坐标与终点坐标。

请继续参阅图1，在步骤S12中，依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元，其中，所述基本单元是基于所述物件三维模型预设的。

在某些实施方式中，所述基本单元为杆单元。所述杆单元即为每一时间步长中连接起点坐标与终点坐标的杆单元。具体的，所述杆单元直径或截面形状与G-Code数据中的丝材直径或丝材截面形状一致，每一时间步长内的基本杆单元即对应为实际打印中该时间步长内打印头处挤出的打印段。

在一种实现方式中，所述杆单元确定的方式为：基于离散后的打印路径获得每一时间步长的起点和终点坐标，由G-Code数据中的丝材直径或丝材截面形状确定杆单元直径或截面形状，以时间步的起点和终点坐标作为杆单元截面的几何中心，构建连接两个截面的杆单元。

基于离散的时间步确定杆单元后，即可获得由杆单元组成的物件三维模型。在某些实施方式中，S12中还包括依据所述物件三维模型中的当前打印层与上一打印层之间的相对位置，在所述当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立传热接触和/或力学接触的步骤。

在本申请提供的实施例中，对打印层定义的顺序为时间顺序，例如，最先打印于模型底部的打印层为第一打印层，堆积于第一打印层上紧接打印的第二打印层为下一打印层。依据三维模型中当前打印层与上一打印层之间的相对位置，基于预设的对位置关系的判断条件，确定是否在当前层杆单元与上一打印层杆单元之间建立传热接触或/和力学接触，以及具体的接触类型，所述力学接触与传热接触可用以描述不同打印层间材料的粘接行为。基于在S11中网格划分的步骤，在建立传热接触后可将非线性瞬态热传导问题近似表达为线性方程组。

应理解的，不同打印层之间的传热接触与力学接触同时存在，打印层间的传热过程为熔融态的挤出材料之间的热对流传热、以及在打印材料固化过程中随时间变化的为粘结的固态模型之间的热传导，当打印层之间不发生力学接触时，打印层表面的热边界条件为与打印腔室的热辐射，打印层之间无直接的传热接触。在某些实施方式中，在处理设备的有限元系统中建立打印层之间的传热接触与力学接触时，可选择为建立其中力学接触或传热接触的其中一者例如力学接触，有限元系统可自动辨识模型表面生成打印层之间的传热接触；当然，也可选择为同时建立力学接触与传热接触。

在一种具体实现方式上，所述建立传热接触和/或力学接触的步骤为在所述物件三维模型中的当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合。在某些实施方式中，通过连接时间步的起点与终点后形成的不同打印层的杆单元之间为相互分离的可滑移状态，而实际打印中以FDM打印为例，不同打印层之间为相互粘接的状态，在当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合以模拟实际打印情形，所述层间粘合可通过增加接触约束实现。

请参阅图5a、图5b，显示为本申请的有限元模拟方法中杆单元基本单元模型在模拟打印中的简化示意图。图5a、图5b显示为在进行对三维物件模型的第一打印层设置确定需要激活的基本单元的过程，其中，图5a为简化模型中确定需要激活的基本单元的动态增材的过程，图5b对应为模拟打印的物件模型的实际形态。

请参阅图6a、图6b，显示为本申请的有限元模拟方法中杆单元基本单元模型在模拟打印中的简化示意图。图6a为接续图5a模拟过程在简化模型中对第二打印层确定需要激活的基本单元，图6b为模拟打印的物件模型在第二打印层的实际形态。图6a中的A为所建立的层间粘接的放大示意图，如图所示，A中的不同打印层间通过设置的层间粘结将上下层之间的基本单元粘结在一起，B显示为模型中无层间粘接的部分中打印单元的横截面示意图。通过B中所示的增加的层间粘接，相邻层的打印单元之间从可相对滑移的状态转换至粘接的状态，并可基于层间粘接在打印单元之间设置传热接触与力学接触。

所述传热接触包括了接触边界上热交换与温度边界条件，杆单元之间的相互位置用于判断是否形成接触边界以及边界条件类型如给定模型边界上的具体温度分布、在边界上给定热流量或、定对流换热条件、给定辐射散热条件中的一类或以上，并基于边界条件类型选择定义相应的热传导系数、对流换热系数、辐射率等。在某些实施方式中，所述热交换与温度边界条件包括热辐射边界条件和热对流边界条件，以及热传导。

在某些实施方式中，基于接触检测判断上一打印层与当前打印层之间的位置关系以建立层间粘合。例如，当接触检测结果为存在通用接触或过盈接触等，基于此在杆单元表面施加接触约束，并在杆单元模型接触面建立上下层之间的对流换热与杆单元其余表面与打印腔室的辐射散热。特别的，对于第一打印层，也即模拟现实打印中粘接于构件板上的打印层，所述杆单元表面还包括与构件板之间的热接触。

所述力学接触用于模拟打印中物件材料所处的力学环境，在打印材料在从熔融态冷却凝固的过程中考虑不同打印层之间的力学作用，由此获得的对打印材料应变过程的分析中综合了由温度引起的应变与不同打印层之间挤压受力引起的应变。

在建立杆单元以及不同打印层之间的层间粘合后，依据打印时间序列确定所需要激活的基本单元，每一时间步需要激活的基本单元即该时间步内连接起点与终点的所述杆单元。通过确定杆单元激活序列，即可模拟实际打印中打印头挤出材料的过程，顺应激活顺序，杆单元轮廓内区域被赋予材料属性与层间粘合的属性。

在某些实施方式中，S12中依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中，所述基本单元为六面体。

通常，所述基本单元的尺寸数量级远小于丝材直径的数量级，通过确定物件三维模型的轮廓以对区域内的基本单元添加打印材料属性。由于打印模型中挤出的丝材表面通常为弧面例如圆柱体的侧面，将基本单元设置为足够小的六面体单元以采用微分的形式由基本单元堆积形成对应的物件三维模型。具体的，所述六面体单元可以为立方体。在设置基本单元时基本单元的尺寸越小，所确定激活的基本单元与物件模型范围越接近。

所述物件三维模型由打印路径与打印头直径即可确定，在执行所述有限元模拟方法的处理设备读取G-Code数据后可获得物件三维轮廓。

在某些实施方式中，S12中包括：依据预设的基本单元以及所述物件三维模型的轮廓建立一模拟域；在所述模拟域中，依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。

所述模拟域可用于确定后续的模拟打印过程中热-力-化学耦合计算的计算域，通常，模拟域的范围越大，则越贴近实际生产中的打印状态。在有限元模拟中，为减小计算资源消耗与计算时间，所述模拟域的范围包括物件三维模型与等效的打印腔室边界以及构件板，将打印设备所处的室内环境等效为模拟域边界。

在确定的模拟域中，依据打印路径的时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。在将基本单元以时间序列激活的过程即对应为实际打印过程，在此步骤中预先确定每一时间步中需要激活的基本单元。具体的，所述需要激活的基本单元对应为打印头在打印中挤出的打印材料，通过已知的物件三维模型信息、选取的时间步信息，可确定每一时间步内挤出的打印材料的空间范围；其中，所述时间步信息包括S11中获得的时间步的起点和终点坐标信息。例如，对应在实际打印中，在一个时间步内激活的基本单元范围打印头从该时间步起点坐标移动至终点坐标打印挤出的打印材料所占据的空间范围。

在某些实现方式中，S12中还包括在所述模拟域中依据所述打印材料的属性信息沿所述打印路径建立包络范围的步骤。

所采用的打印材料的属性信息主要为打印头直径、丝材直径或丝材截面形状中至少一种，基于所述属性信息沿打印路径建立包络范围，所述包络范围为一三维空间区域，以时间步在打印路径上的离散点为起点和终点。在一种实现方式中，对某一确定的时间步，分别以时间步起点和终点坐标为圆心，将打印头直径或丝材直径为直径建立竖直方向的圆截面，并将起点与终点的圆截面以平滑弧面连接形成该时间步内的包络范围；又或，以时间步起点和终点坐标为丝材截面的几何中心建立竖直方向的丝材截面，将起点与终点截面连接形成对应的包络范围。

在某些实施方式中，所述确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括设置判断条件的步骤：判断所述基本单元是否处于所述包络范围内，若处于以包络范围内，则激活该单元；若未处于所述包络范围内，则不激活该单元。具体的，由时间步内包络范围的轮廓确定基本单元是否在包络范围轮廓中，对于与包络范围轮廓界面交贯的基本单元，可通过预设的规则判断，例如，基本单元体积的50％以上在包络范围内，即确定为需要激活的基本单元，该预设的判断规则可为处理设备的有限元系统中预置的规则。

在后续的模拟打印中，在每一时间步中进行基本单元是否处于包络范围内的判断，并依照打印头移动路径激活处于包络范围内的基本单元。

请参阅图7a、图7b、图7c，显示为一实施例中步骤S12中由打印路径确定包络范围以及需要激活的基本单元的过程示意图。如图7a所示，读取G-Code数据可获得打印路径，在图7b中，基于如图7a所示的打印路径与G-Code数据的打印信息中的丝材截面形状、丝材直径或打印头直径建立包络范围。图7c为图7b中截面C的放大示意图，如图7c所示，每一方格代表一个基本单元，圆截面即为包络范围的截面C，判断每一基本单元是否处于包络范围之内，如图7c中被勾选的区域即为包络范围内的基本单元，对应设置为需要激活的基本单元。

在某些实施方式中，所述确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括：依据所述打印时间序列为所述打印路径中需要激活的基本单元赋予方向矢量，使所述打印路径中各基本单元的材料方向顺延所述打印路径的方向。

所述材料方向包括各个时间步内基本单元的局部材料方向，通过打印路径的方向确定基本单元的方向，例如在以杆单元为基本单元的模型中所述打印材料方向顺延杆单元的延伸方向，在以六面体为基本单元的模型中打印材料方向为所在时间步的打印路径方向或打印路径的切线方向。

将所述材料方向设置为顺延打印路径方向后，在后续的打印模拟中，为打印材料赋予正交各向异性或横向同性材料属性。

在步骤S13中，依据所述打印路径的打印时间序列及确定的时间步依序激活所述物件三维模型中的基本单元。

基于预先确定的打印路径以及每一时间步需激活的基本单元，在依照时间步激活基本单元的过程中，按照预设的G-code数据中材料属性、打印属性信息以及打印环境的边界条件信息实现动态增材的过程。其中，每一时间步内对杆单元或包络范围内的基本单元激活时，被激活的基本单元被赋予所述材料属性，基本单元被激活的速度对应G-code数据中打印头移动速度。

通常，FDM打印中温度场为瞬态传热分析，在某些实施方式中，对于以六面体为基本单元的模拟方法中，步骤S13中还包括在每个时间步重新识别模型表面，并在模型的表面赋予热对流边界条件和热辐射边界条件的步骤，以动态的边界条件描述打印过程中环境温度的影响。其中，每个时间步中刚激活的基本单元温度等于打印头的温度，其他单元通过赋予热对流边界条件和热辐射边界条件，通过热传导模型耦合应力应变模型进行计算获得随时间与空间变化的温度场与应力场。

在实际打印或模拟打印的过程中，打印头开始挤出打印材料后形成连续演变的表面，依时间序列进行打印的每一时间步对应基本单元不同，亦处于不同的空间位置，在每一时间步中重新辨识模型表面，以模拟实际打印过程在接触发生时形成的边界条件，也即，所述边界条件为动态边界条件，例如在当前时间步内激活基本单元时识别模型表面，添加与打印腔室内的热辐射边界条件与粘接的打印层之间的热对流边界条件。

请参阅图8a、图8b、图8c、图8d，分别显示为在一实施例中依时间步顺序激活基本单元的简化示意图，也即为打印模拟过程的简化示意图。如图所示，图8a，图8b，图8c，图8d为顺应打印路径的时间序列基本单元被激活后逐层累积的过程，在每一时间步中激活物件三维模型中的基本单元，也即将判断为物件三维模型内的基本单元顺应时间步赋予材料属性与温度边界条件、受力条件的过程，物件三维模型在整体上呈现出动态增材的逐层积累、粘接的效果，以模拟实际打印中材料从打印头挤出的过程。

在步骤S14中，利用预设的模型对所述物件三维模型中被激活的各基本单元进行耦合模拟计算，以获得描述所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

在某些实施方式中，步骤S14中的所述耦合模拟计算为在预设有边界条件下的耦合模拟计算，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件。具体的，所述边界条件包括传热边界条件与力学接触的边界条件，其中，所述基本单元热边界条件为基本单元与外界环境以及不同打印层单元之间的热量交换情况，包括：与模型底部恒温的构件板之间的对流换热，环境冷却带来的内部负热源，不同打印层之间的对流和打印腔室辐射引起的冷却。

在某些实施方式中，所述预设的模型包括用以描述所述打印材料的力学变形的线性粘弹性模型，或/和用以描述所述打印材料的热传导行为的横观各向同性热传导模型或正交各向异性热传导模型。

具体的，所述线性弹粘性模型可以为多分支热粘弹性模型，所述多分支热粘弹性模型考虑了材料的温度相关松弛行为以及流动剪切现象。其中，材料的力学行为与温度有关，打印中的总应变由热应变与弹性应变组成，通过热-力学-化学耦合模型描述材料在每一时间步中的改变，所获得的模拟结果同时考虑了材料特性、温度与力学状态，以及温度与应力应变之间的相互作用，最终变形数据更符合实际打印状态，可减小模拟误差。

在某些实施方式中，在模拟计算的过程中，可选择显示残余应力场对应的应力云图、变形的位移云图或温度场对应的温度云图中的一者，应理解的，在计算中，所述温度场与应力场完全耦合，在每一时刻的计算中即可同时获得瞬态温度场与残余应力场，在任意时间步中或模拟打印的整个过程中获得随时间变化的也即动态的温度场、残余应力场，执行所述有限元模拟方法的处理设备中可也选择同时显示多者。

在某些实施方式中，所述有限元模拟方法中还包括获取所述取打印材料的初始残余应力的步骤，以基于所述初始残余应力，利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合温度位移模拟。

所述初始残余应力作为打印过程模拟的初始条件，通常在打印初始时刻的残余应力会一直影响至打印结束，初始残余应力对成型打印物件有一定的影响如导致材料变形和开裂，在所述有限元模拟方法中考虑初始残余应力以获得打印分析结果，可用于实际打印中控制成型过程如进行打印参数调整，以削弱初始残余应力对打印质量的损坏。

通常在实际的FDM打印中，不同打印层之间由热膨胀挤压接触引起的层间粘接的粘接强度对打印物件的机械性能具有较大影响。丝材接触界面的温度和打印材料聚合物分子的扩散时间影响着丝材的粘接质量，因此有必要对丝材的堆积过程进行热分析，研究丝材温度随成形参数的变化规律。因此研究打印过程中的温度场与应变场状态，并以此形成从打印至冷却成型的热历史数据对与最终打印物件的变形数据可对生产中改善打印物件性能可提供数据支持，基于有限元模拟方法，可多次重现打印过程与打印环境获得理论数据，减小通过多次实际打印进行性能评估的方式中的成本与时间消耗。

由本申请提供的有限元模拟方法，通过依照时间步将打印路径离散为多个分段，在每一分段内设置基本单元并依照打印的时间序列激活，在模拟打印的过程中，采用线性粘弹性模型描述材料的力学变形，并考虑了材料的温度相关松弛行为以及流动剪切现象，在基本单元表面设置热学接触与力学接触，耦合温度场与应力场进行计算，通过热-力-化学全耦合有限元模拟方法获得贴近于实际打印的结果；再者，本申请的有限元模拟方法考虑了初始残余应力进行打印过程模拟，可用于分析初始残余应力导致的打印件变形的状况，由计算获得的温度数据与应变数据可评价不同打印参数设置下的打印物件性能，所述有限元模拟方法即可提供数据以支持对打印参数的调整。

本申请在第二方面还提供了一种物件三维模型的有限元模拟系统。请参阅图9，显示为本申请的有限元模拟系统在一实施例中的简化结构示意图，如图9所示，所述有限元模拟系统2包括：预处理模块21，生成模块22，激活模块23，模拟计算模块24。

所述预处理模块21读取所述物件三维模型的G-Code数据及设置的打印信息，所述打印信息包括打印材料的属性信息。

所述物件三维模型可以为任意设计的三维模型，一般为用于3D打印的物件实体对应的三维模型如模具模型、医疗治具模型、定制商品模型比如鞋底模型或者牙齿模型等。在某些实施方式中，所述预处理模块2121还可将物件三维模型转换为G-Code数据或直接生成以G-Code数据表示的三维模型。其中，所述物件三维模型可通过建模软件生成，例如，通过计算机辅助设计(CAD)软件生成物件三维模型，在实践中，用于实现三维建模的软件包括但不限于Autocad、Aurodesk123D、Tinkercad、Solidworks，Pro-E、Catia、Cimatron、Sketchup、OpenScad、UG、3D max、maya、Rhino、Blender等等。

所述G-Code数据主要为数控编程语言，在实践中可以具有多种表示的版本。所述物件三维模型的数据可以是任何已知的格式，包括但不限于标准镶嵌语言(StandardTessellation Language，STL)或立体光刻轮廓(Stereo Lithography Contour，SLC)格式、虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)、积层制造档案(Additive Manufacturing File，AMF)格式，绘图交换格式(Drawing Exchange Format，DXF)、多边形档案格式(Polygon File Format，PLY)的形式或适用于计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)的任何其他格式。

在实践中，G-Code数据包括一系列具有先后执行顺序的空间坐标点，所述物件三维模型的G-Code数据即为以坐标和时间序列或先后顺序表示的三维模型，例如，在具有处理的功能的计算设备中输入所述G-Code数据，顺应G-Code数据每一空间坐标点的顺序形成的路径即构成物件三维模型。

具体的，所述读取G-Code数据及设置的打印信息的过程即可由处理设备执行，并对读取的数据执行后续的处理，在某些实施例中，可在处理设备的有限元系统中实现该处理过程。

在某些实施方式中，所述G-Code数据包括打印头的打印路径、打印头的移动速度、打印材料输出速度、打印材料加热温度、打印设备的构件板加热温度中的一种或多种信息。

通常在FDM打印中，将丝状的热熔性材料经过送丝机构(一般为辊子)送进热熔喷嘴，在喷嘴内丝状材料被加热熔融，同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运动，并将熔融的材料挤出，使其沉积在指定的位置后凝固成型，与前一层己经成型的材料粘结，层层堆积最终形成产品模型。

应理解的，所述打印头为FDM类型的3D打印设备中的加热头(亦称加热嘴、喷头或喷嘴)，用于对作为3D打印原材料的丝材加热熔融成液态的材料涂抹在构件板上；所述构件板(亦称构件平台或打印平台)是用于附着目标3D构件的平台，其并可根据由计算机操作的控制器提供的信号沿垂直的Z轴线运动。

在本申请的有限元模拟系统中，所述打印头可以为虚拟的打印头如仿真模拟软件中虚拟建模的打印头或由功能等效的打印头。由打印头定义的参数如打印路径、打印头移动速度、以打印头为移动热源的加热温度等可基于实际打印中的打印头数据进行设置，也可人为设定。在有限元模拟的一些实施例中，所述打印头可作为输送打印材料的起始点，显示为由所述打印移动速度与打印路径确定其位置的截面。

请继续参阅图2，如图所示，所述打印路径即为具有先后顺序排列的一系列坐标点，基于打印头移动速度信息即可确定打印路径中各个坐标点对应的模拟时间。所述空间坐标点可以为三维坐标点，在某些实施方式中，也可以为多组二维坐标点例如为X、Y方向的坐标点，每一组二维坐标点共用一个Z坐标，也即所述打印路径为不连续的多组打印路径，其中每一组打印路径在同一水平面上。

打印材料的输出速度是以打印头为起点，在打印环境中添加材料的速度。打印材料的加热温度为材料从打印头挤出或输出时的初始温度。所述打印设备的构件板加热温度对应为实际打印中的构件板温度，在有限元模拟环境中可为恒温的接触面或以预设的规律升温或散热的接触面，所述接触面即为第一层打印材料的承接面也即模型底面。

在某些实施方式中，所述打印信息还包括设备参数信息，所述设备参数信息包括打印基本温度、打印腔室温度(所述打印腔室亦被称为成型室)、打印头直径、打印头温度、打印材料最高加热温度。

所述打印基板温度为用于承载打印物件的构件板温度，通常，所述打印基板温度为一预设的恒定值，在本申请的模拟方法中，在模型最底部的边界条件为，取预设固定值的恒定温度，用于模拟打印中的打印基板温度；又或，对所述打印基板的温度为非常数，在模拟中将模型底部的温度设置为打印基板的温度变化函数。

所述打印腔室温度对应为实际打印中的成型腔室内温度，在有限元模拟环境中可对应为预设的腔室体积内的温度，所述腔室体积可由选定的平面或弧面等构成，并在施加或定义与实际腔室等效的换热条件与材料类型，以模拟真实打印场景。在某些实施方式中，所述打印腔室温度在有限元模拟中可用打印环境的等效加热速度或冷却速度定义，所述等效加热速度或冷却速度可由基于实际打印环境的边界条件获得的热传导公式或经验公式定义。

所述打印头通常默认为圆形截面和多边形截面(比如正方形、矩形、菱形、五边形或六边形等形状的截面)，通过打印头直径即可确定将打印材料输送至打印腔室进行冷却成型的截面。在某些实施方式中，所述打印头形状可为其余几何图形，根据预设的打印头形状定义几何参数。

所述打印头温度可作为打印材料的移动热源，打印头温度对打印材料的影响表现为打印头内轮廓与其内部的熔融状待打印材料之间的热传导。

所述打印材料最高加热温度为对于特定打印材料，将其熔融挤出冷却成型的过程中为保持打印物性能所允许的温度上限，例如温度过高导致打印材料的翘曲和收缩。基于该打印信息作为温度限制条件，以避免由所述有限元模拟方法对打印过程的模拟分析获得的结果在实际打印中因温度损害打印质量。

所述打印材料包括PLA(Polylactic acid，聚乳酸)、ABS(AcrylonitrileButadiene Styrene丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚氨酯TPU、TPE材料(热塑性弹性体)、热塑性弹性体、尼龙、碳纤维材料(例如为Carbon Fiber)、半结晶热塑性塑料、Metal PLA/Metal ABS金属质感PLA/ABS材料、PEEK材料、FDM导电丝材、Glow-in-the-Dark夜光材料(比如在PLA或ABS中添加不同颜色的荧光剂)、Wood木质感材料(通过在PLA中混合定量的木质纤维)等。

所述打印材料的属性信息为与材料类型相关的特性信息，可以为诸如物理性能如比热容或热传导性能、密度、熔点、玻璃化温度、力学性能、化学性能等通常不同材料对应为不同特性的参数信息。

在某些实施方式中，所述打印材料的属性信息包括丝材类型、丝材直径、及丝材截面形状中的一种或多种信息。所述丝材类型即为打印材料类型，由确定的丝材类型信息，即可获得对应的由材料特性决定的不同信息如导热系数、比热容、玻璃化温度、弹性模量等。

所述丝材直径为打印材料从打印头被挤出的直径，在某些实施方式中，所述丝材为圆截面，通过定义打印头移动速度与丝材直径即可对应获得丝材的挤出速度。

所述丝材截面形状为丝材从打印头处被挤出后在连续演变的表面上冷却的过程中用于堆叠形成构件的丝材截面形状。通常，在理想情况下，所述丝材截面形状在打印头位置处为同一形状，而后在打印中基于不同区域的传热状态及力学状态等，成型后的丝材截面可能演变为不同形态。在所述有限元模拟方法的一实施例中，所述丝材截面形状为在打印头处刚挤出位置的丝材截面形状。

所述预处理模块21在接收到离散指令时，依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息。

在一种实现方式中，所述离散指令可基于由系统的交互界面输入获得，有限元系统在接收指令后调取所述预处理模块21执行对打印路径的离散操作。

所述预设的时间步为可人为设定的时间间隔，将G-Code数据中连续的打印路径或对应为较长打印时间的一段打印路径以预设的时间间隔离散，形成多个时间间隔对应的打印路径，所述多个时间间隔之间的打印路径首尾相接，并且，获得每一时间间隔也即所述预设实时间步对应的打印路径起点及终点。

在某些实施方式中，所述预处理模块21执行对打印路径的离散操作时，所述预处理模块离散所述G-Code数据中的打印路径的步骤包括，为所述G-Code数据中的打印路径建立坐标系。

一般的，在预处理模块21读取的G-Code数据中，所述打印路径中包括有路径坐标点对应采用的坐标系，在某些实施方式中，预处理模块21读取G-Code数据后可采用原打印路径坐标系，又或，建立新的坐标系并后续进行打印路径在新坐标系下的坐标变换。例如，所述预处理模块21新建立另一三维直角坐标系，将G-Code数据的打印路径进行平移或翻折，获得打印路径在新坐标系下的空间坐标。

所述预处理模块21执行对打印路径的离散操作的步骤还包括，自所述G-Code数据中获取所述打印路径的打印顺序及打印速度，以获得所述打印路径的打印时间序列。

所述预处理模块21基于已确定坐标位置的打印路径，获取打印路径中坐标点的先后顺序即打印顺序以及打印速度。所述打印速度可由打印头移动速度直接获取，又或基于丝材直径或丝材截面形状与挤出速度获得。基于打印路径、打印顺序及打印速度信息，即可获得任意截取的一端打印路径对应的坐标位置与打印速度，容易得知可由路径与速度的关系推知不同坐标点对应的时间点。在某些实施方式中，将打印路径中的起始点设置为零时刻点，通过打印顺序与打印速度获得每一坐标点对应的时间，即可获得时间序列。

在某些场景中，有限元模拟系统中读取G-Code数据后，可自动建立坐标系并获得打印路径的时间序列。

所述预处理模块21离散所述G-Code数据中的打印路径的步骤还包括，依据预设的时间步将所述打印路径进行网格划分，以离散为多个分段，以使各该分段对应其预设的时间步。

在某些实施方式中，所述G-Code数据中打印路径的坐标点信息为路径转角处的坐标点信息，例如，在一条连续的线段上，打印路径中包括线段两端点处的坐标。

所述预设的时间步用于将打印过程进行分段，例如，将在10s内完成的对一段打印路径分散为10段均以1s为时间步步长的路径分段。在某些实施方式中，从打印开始至结束的过程中每一时间步等长，在某些实施方式中，所述时间步的时长取值不同，例如，所述时间步可以为1s和2s或者其他可以设定的时间段。

请继续参阅图4，如图所示，所述打印路径在网格划分后分散为多个时间步对应的离散单元。图4所示实施例中为处于同一打印层的连续的打印路径，通过网格划分后在打印路径上形成多个离散点即图中显示的路径上的节点，形成多个相接的离散单元段。其中，两个相邻离散点之间的一个单元段即对应为一时间步内如1s内的打印路程。

对当前坐标系下包括打印路径的一定范围进行网格划分，通过网格与打印路径交点获得打印路径上的离散点。通常，所述网格划分的步骤中包括还包括对网格类型与网格大小选取，在一实施例中，所采用的网格类型基本单元为面上的正四边形网格，又或在体上的立方体网格；确定网格类型后，依据预设时间步与打印速度确定网格基本单元的边长确定网格参数，又或可基于线段数目划分打印路径确定对应的网格边长；而后由划分网格获得打印路径与网格单元相交形成的离散点。通过有限元网格划分，对应于所模拟的实际环境中即为打印路径离散化为多个有限元。

在某些实施方式中，采用混合网格划分，获得对应有不同时间步长的离散通单元。

在某些实施方式中，通过固定时间步长或基于线段数目均等分段确定网格边长，将打印路径从长度不同的线段划分为等长的离散单元，使得每一时间步长内打印头移动路程相同。

所述预处理模块21离散所述G-Code数据中的打印路径的步骤还包括，记录每一时间步的起点坐标和终点坐标。

所述每一时间步的地点坐标和终点坐标即为网格划分后的离散点坐标，记录每一时间步对应的离散点坐标。依据选取的时间步长，可获得不同的起点坐标与终点坐标，例如，期望时间步长为1s，即获得每个1s的时间步长对应的打印头移动路径的起点坐标与终点坐标。如图3所示，顺应打印路径的两相邻离散点坐标分别对应一个时间步内的起点坐标与终点坐标。

所述生成模块22用于接收到生成指令时依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元，所述基本单元是基于所述物件三维模型预设的。

在某些实施方式中，所述生成模块中的基本单元为杆单元。所述杆单元即为每一时间步长中连接起点坐标与终点坐标的杆单元。具体的，所述杆单元直径或截面形状与G-Code数据中的丝材直径或丝材截面形状一致，每一时间步长内的基本杆单元即对应为实际打印中该时间步长内打印头处挤出的打印段。

在一种实现方式中，所述杆单元确定的方式为：基于离散后的打印路径获得每一时间步长的起点和终点坐标，由G-Code数据中的丝材直径或丝材截面形状确定杆单元直径或截面形状，以时间步的起点和终点坐标作为杆单元截面的几何中心，构建连接两个截面的杆单元。

基于离散的时间步确定杆单元后，即可获得由杆单元组成的物件三维模型。在某些实施方式中，所述生成模块22依据所述物件三维模型中的当前打印层与上一打印层之间的相对位置，在所述当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立传热接触和/或力学接触。

在本申请提供的实施例中，对打印层定义的顺序为时间顺序，例如，最先打印于模型底部的打印层为第一打印层，堆积于第一打印层上紧接打印的第二打印层为下一打印层。依据三维模型中当前打印层与上一打印层之间的相对位置，基于预设的对位置关系的判断条件，确定是否在当前层杆单元与上一打印层杆单元之间建立传热接触或/和力学接触，以及具体的接触类型，所述力学接触与传热接触可用以描述不同打印层间材料的粘接行为。基于已经完成的网格划分的状态，在建立传热接触后可将非线性瞬态热传导问题近似表达为线性方程组。

应理解的，不同打印层之间的传热接触与力学接触同时存在，打印层间的传热过程为熔融态的挤出材料之间的热对流传热、以及在打印材料固化过程中随时间变化的为粘结的固态模型之间的热传导，当打印层之间不发生力学接触时，打印层表面的热边界条件为与打印腔室的热辐射，打印层之间无直接的传热接触。在某些实施方式中，在处理设备的有限元系统中建立打印层之间的传热接触与力学接触时，可选择为建立其中力学接触或传热接触的其中一者例如力学接触，有限元系统可自动辨识模型表面生成打印层之间的传热接触；当然，也可选择为同时建立力学接触与传热接触。

在一种具体实现方式上，所述生成模块22建立传热接触和/或力学接触的方式为在所述物件三维模型中的当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合。在某些实施方式中，通过连接时间步的起点与终点后形成的不同打印层的杆单元之间为相互分离的可滑移状态，而实际打印中以FDM打印为例，不同打印层之间为相互粘接的状态，在当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合以模拟实际打印情形，所述层间粘合可通过增加接触约束实现。

请继续参阅图5a、图5b，如本申请的有限元模拟系统在进行对物件三维模型的处理过程中，杆单元基本单元模型在模拟打印中的简化示意图。图5a、图5b显示为在进行对三维物件模型的第一打印层设置确定需要激活的基本单元的过程，其中，图5a为简化模型中确定需要激活的基本单元的动态增材的过程，图5b对应为模拟打印的物件模型的实际形态。

请继续参阅图6a、图6b，如本申请的有限元模拟系统在进行对物件三维模型的处理过程中，杆单元基本单元模型在模拟打印中的简化示意图。图6a为接续图5a模拟过程在简化模型中对第二打印层确定需要激活的基本单元，图6b为模拟打印的物件模型在第二打印层的实际形态。图6a中的A为所建立的层间粘接的放大示意图，如图所示，A中的不同打印层间通过设置的层间粘结将上下层之间的基本单元粘结在一起，B显示为模型中无层间粘接的部分中打印单元的横截面示意图。通过B中所示的增加的层间粘接，相邻层的打印单元之间从可相对滑移的状态转换至粘接的状态，并可基于层间粘接在打印单元之间设置传热接触与力学接触。

所述传热接触包括了接触边界上热交换与温度边界条件，杆单元之间的相互位置用于判断是否形成接触边界以及边界条件类型如给定模型边界上的具体温度分布、在边界上给定热流量或、定对流换热条件、给定辐射散热条件中的一类或以上，并基于边界条件类型选择定义相应的热传导系数、对流换热系数、辐射率等。在某些实施方式中，所述热交换与温度边界条件包括热辐射边界条件和热对流边界条件，以及热传导。

在某些实施方式中，基于接触检测判断上一打印层与当前打印层之间的位置关系以建立层间粘合。例如，当接触检测结果为存在通用接触或过盈接触等，基于此在杆单元表面施加接触约束，并在杆单元模型接触面建立上下层之间的对流换热与杆单元其余表面与打印腔室的辐射散热。特别的，对于第一打印层，也即模拟现实打印中粘接于构件板上的打印层，所述杆单元表面还包括与构件板之间的热接触。

所述力学接触用于模拟打印中物件材料所处的力学环境，在打印材料在从熔融态冷却凝固的过程中考虑不同打印层之间的力学作用，由此获得的对打印材料应变过程的分析中综合了由温度引起的应变与不同打印层之间挤压受力引起的应变。

所述生成模块22在建立杆单元以及不同打印层之间的层间粘合后，依据打印时间序列确定所需要激活的基本单元，每一时间步需要激活的基本单元即该时间步内连接起点与终点的所述杆单元。通过确定杆单元激活序列，即可模拟实际打印中打印头挤出材料的过程，顺应激活顺序，杆单元轮廓内区域被赋予材料属性与层间粘合的属性。

在某些实施方式中，生成模块22在依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中，所述基本单元为六面体。

通常，所述基本单元的尺寸数量级远小于丝材直径数量级，通过确定物件三维模型的轮廓以对区域内的基本单元添加打印材料属性。由于打印模型中挤出的丝材表面通常为弧面例如圆柱体的侧面，将基本单元设置为足够小的六面体单元以采用微分的形式由基本单元堆积形成对应的物件三维模型。具体的，所述六面体单元可以为立方体。在设置基本单元时基本单元的尺寸越小，所确定激活的基本单元与物件模型范围越接近。

所述物件三维模型由打印路径与打印头直径即可确定，在执行所述有限元模拟方法的处理设备读取G-Code数据后可获得物件三维轮廓。

在某些实施方式中，所述生成模块22依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤包括：依据预设的基本单元以及所述物件三维模型的轮廓建立一模拟域；在所述模拟域中，依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。

所述模拟域可用于确定后续的模拟打印过程中热-力-化学耦合计算的计算域，通常，模拟域的范围越大，则越贴近实际生产中的打印状态。在有限元模拟中，为减小计算资源消耗与计算时间，所述模拟域的范围包括物件三维模型与等效的打印腔室边界以及构件板，将打印设备所处的室内环境等效为模拟域边界。

在确定的模拟域中，依据打印路径的时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。在将基本单元以时间序列激活的过程即对应为实际打印过程，在此步骤中预先确定每一时间步中需要激活的基本单元。具体的，所述需要激活的基本单元对应为打印头在打印中挤出的打印材料，通过已知的物件三维模型信息、选取的时间步信息，可确定每一时间步内挤出的打印材料的空间范围；其中，所述时间步信息包括S11中由预处理模块21获得的时间步的起点和终点坐标信息。例如，对应在实际打印中，在一个时间步内激活的基本单元范围打印头从该时间步起点坐标移动至终点坐标打印挤出的打印材料所占据的空间范围。

在某些实现方式中，所述生成模块22依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括：在所述模拟域中依据所述打印材料的属性信息沿所述打印路径建立包络范围。

所采用的打印材料的属性信息主要为打印头直径、丝材直径或丝材截面形状中至少一种，基于所述属性信息沿打印路径建立包络范围，所述包络范围为一三维空间区域，以时间步在打印路径上的离散点为起点和终点。在一种实现方式中，对某一确定的时间步，分别以时间步起点和终点坐标为圆心，将打印头直径或丝材直径为直径建立竖直方向的圆截面，并将起点与终点的圆截面以平滑弧面连接形成该时间步内的包络范围；又或，以时间步起点和终点坐标为丝材截面的几何中心建立竖直方向的丝材截面，将起点与终点截面连接形成对应的包络范围。

在某些实施方式中，所述生成模块22还用于判断所述基本单元是否处于所述包络范围内，若处于以包络范围内，则激活该单元；若未处于所述包络范围内，则不激活该单元。

在某些实施方式中，所述确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括设置判断条件的步骤：判断所述基本单元是否处于所述包络范围内，若处于以包络范围内，则激活该单元；若未处于所述包络范围内，则不激活该单元。具体的，由时间步内包络范围的轮廓确定基本单元是否在包络范围轮廓中，对于与包络范围轮廓界面交贯的基本单元，可通过预设的规则判断，例如，基本单元体积的50％以上在包络范围内，即确定为需要激活的基本单元，该预设的判断规则可为处理设备的有限元系统中预置的规则。

在后续的模拟打印中，在每一时间步中进行基本单元是否处于包络范围内的判断，并依照打印头移动路径激活处于包络范围内的基本单元。

请继续参阅图7a、图7b、图7c，可显示为一实施例中所述生成模块22由打印路径确定包络范围以及需要激活的基本单元的过程示意图。如图7a所示，读取G-Code数据可获得打印路径，在图7b中，基于如图7a所示的打印路径与G-Code数据的打印信息中的丝材截面形状、丝材直径或打印头直径建立包络范围。图7c为图7b中截面C的放大示意图，如图7c所示，每一方格代表一个基本单元，圆截面即为包络范围的截面C，判断每一基本单元是否处于包络范围之内，如图7c中被勾选的区域即为包络范围内的基本单元，对应设置为需要激活的基本单元。

在某些实施方式中，所述生成模块还用于依据所述打印时间序列为所述打印路径中需要激活的基本单元赋予方向矢量，使所述打印路径中各基本单元的材料方向顺延所述打印路径的方向。

所述材料方向包括各个时间步内基本单元的局部材料方向，通过打印路径的方向确定基本单元的方向，例如在以杆单元为基本单元的模型中所述打印材料方向顺延杆单元的延伸方向，在以六面体为基本单元的模型中打印材料方向为所在时间步的打印路径方向或打印路径的切线方向。

将所述材料方向设置为顺延打印路径方向后，在后续的打印模拟中，为打印材料赋予正交各向异性或横向同性材料属性。

所述激活模块23用于在接收到激活指令时，依据所述打印路径的打印时间序列及确定的时间步依序激活所述物件三维模型中的基本单元。

特别的，所述激活模块23执行的过程对应为实际FDM打印中打印头基础熔融状材料的过程，在模拟打印中所述激活模块23与模拟计算模块24同时处于工作状态，以在对打印过程模拟的同时追踪打印过程中由模拟计算模块24计算获得的温度场与应力场随打印开始至打印物件成型的变化状态。

所述激活模块23基于预先确定的打印路径以及每一时间步需激活的基本单元，在依照时间步激活基本单元的过程中，按照预设的G-code数据中材料属性、打印属性信息以及打印环境的边界条件信息实现动态增材的过程。其中，每一时间步内对杆单元或包络范围内的基本单元激活时，被激活的基本单元被赋予所述材料属性，基本单元被激活的速度对应G-code数据中打印头移动速度。

通常，FDM打印中温度场为瞬态传热分析，在某些实施方式中，对于以六面体为基本单元的模拟方法中，步骤S13中还包括在每个时间步重新识别模型表面，并在模型的表面赋予热对流边界条件和热辐射边界条件的步骤，以动态的边界条件描述打印过程中环境温度的影响。其中，每个时间步中刚激活的基本单元温度等于打印头的温度，其他单元通过赋予热对流边界条件和热辐射边界条件，通过热传导模型耦合应力应变模型进行计算获得随时间与空间变化的温度场与应力场。

在实际打印或模拟打印的过程中，打印头开始挤出打印材料后形成连续演变的表面，依时间序列进行打印的每一时间步对应基本单元不同，亦处于不同的空间位置，在每一时间步中重新辨识模型表面，以模拟实际打印过程在接触发生时形成的边界条件，也即，所述边界条件为动态边界条件，例如在当前时间步内激活基本单元时识别模型表面，添加与打印腔室内的热辐射边界条件与粘接的打印层之间的热对流边界条件。

请继续参阅图8a、图8b、图8c、图8d，也即为打印模拟过程的简化示意图。如图所示，图8a，图8b，图8c，图8d为顺应打印路径的时间序列基本单元被激活后逐层累积的过程，激活模块23在每一时间步中激活物件三维模型中的基本单元，也即将判断为物件三维模型内的基本单元顺应时间步赋予材料属性与温度边界条件、受力条件的过程，物件三维模型在整体上呈现出动态增材的逐层积累、粘接的效果，以模拟实际打印中材料从打印头挤出的过程。

所述模拟计算模块24用于利用预设的模型对所述物件三维模型中被激活的各基本单元进行耦合模拟计算，以获得描述所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

在某些实施方式中，所述模拟计算模块24进行的耦合模拟计算为在预设有边界条件下的耦合模拟计算，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件。具体的，所述边界条件包括传热边界条件与力学接触的边界条件，其中，所述基本单元热边界条件为基本单元与外界环境以及不同打印层单元之间的热量交换情况，包括：与模型底部恒温的构件板之间的对流换热，环境冷却带来的内部负热源，不同打印层之间的对流和打印腔室辐射引起的冷却。

在某些实施方式中，所述预设的模型包括用以描述所述打印材料的力学变形的线性粘弹性模型，或/和用以描述所述打印材料的热传导行为的横观各向同性热传导模型或正交各向异性热传导模型。

具体的，所述线性弹粘性模型可以为多分支热粘弹性模型，所述多分支热粘弹性模型考虑了材料的温度相关松弛行为以及流动剪切现象。其中，材料的力学行为与温度有关，打印中的总应变由热应变与弹性应变组成，通过热-力学-化学耦合模型描述材料在每一时间步中的改变，所获得的模拟结果同时考虑了材料特性、温度与力学状态，以及温度与应力应变之间的相互作用，最终变形数据更符合实际打印状态，可减小模拟误差。

在某些实施方式中，在模拟计算的过程中，可选择显示残余应力场对应的应力云图、变形的位移云图或温度场对应的温度云图中的一者，应理解的，在计算中，所述温度场与应力场完全耦合，在每一时刻的计算中即可同时获得瞬态温度场与残余应力场，在任意时间步中或模拟打印的整个过程中获得随时间变化的也即动态的温度场、残余应力场，在所述有限元系统中可也选择同时显示多者。

在某些实施方式中，所述预处理模块21还用于获取所述取打印材料的初始残余应力，以使所述模拟计算模块24基于所述初始残余应力，利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合温度位移模拟。

所述初始残余应力作为打印过程模拟的初始条件，通常在打印初始时刻的残余应力会一直影响至打印结束，初始残余应力对成型打印物件有一定的影响如导致材料变形和开裂，在所述有限元模拟方法中考虑初始残余应力以获得打印分析结果，可用于实际打印中控制成型过程如进行打印参数调整，以削弱初始残余应力对打印质量的损坏。

本申请提供的有限元模拟系统通过依照时间步将打印路径离散为多个分段，在每一分段内设置基本单元并依照打印的时间序列激活，在模拟打印的过程中，采用线性粘弹性模型描述材料的力学变形，并考虑了材料的温度相关松弛行为以及流动剪切现象，在基本单元表面设置热学接触与力学接触，耦合温度场与应力场进行计算，通过热-力-化学全耦合有限元模拟方法获得贴近于实际打印的结果；再者，本申请的有限元模拟系统考虑了初始残余应力进行打印过程模拟，可用于分析初始残余应力导致的打印件变形的状况，由计算获得的温度数据与应变数据可评价不同打印参数设置下的打印物件性能，所述有限元模拟系统即可提供数据以支持对打印参数的调整。

本申请在第三方面还提供了一种计算机设备，如图10所示，显示为本申请的计算机设备在一实施例中的简化结构示意图。如图所示，所述计算机设备包括：存储装置31，处理装置32以及显示装置33。

所述存储装置31用于存储至少一个程序，以及预设的模拟计算模型。

在一些实施例中，所述存储装置31例如为经由RF电路或外部端口以及通信网络访问的网络附加存储装置，其中所述通信网络可以是因特网、一个或多个内部网、局域网、广域网、存储局域网等，或其适当组合。存储装置控制器可控制设备的诸如CPU和外设接口之类的其他组件对存储装置31的访问。所述存储装置31可选地包括高速随机存取存储器，并且可选地还包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储器设备。由设备的其他组件诸如CPU和外围接口，对存储器的访问可选地通过存储器控制器来控制。

在一些实施例中，所述存储装置31还可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如只读存储器、快闪存储器、硬盘或固态硬盘。

所述处理装置32与所述存储装置31相连，用于执行所述至少一个程序，以调用所述存储装置执行并实现如图1所示实施例中任一实施方式所述的有限元模拟方法。

在一些实施例中，所述处理装置32包括集成电路芯片，具有信号处理能力；或包括通用处理器，所述通用处理器可以是微处理器或者任何常规处理器等，例如中央处理器。例如，可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、分立门或晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图，例如，执行如图1至图8d对应的实施例中任一实施方式所述的有限元模拟方法。

所述显示装置33用于显示所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

所述显示装置33根据从信息处理系统如计算机设备中接收到的数据和指令执行特定任务，输出包括文本、图形、触觉、音频、视频等类型的信息。

所述显示装置33还作为交互界面，例如，所述计算机设备中装载有如本申请第二方面提供的有限元系统，在进行对离散打印路径、设置包络范围、生成基本单元、模拟计算、激活基本单元等操作时可通过显示界面生成指令。

由所述处理装置32与存储装置31协调执行的有限元模拟方法，通过依照时间步将打印路径离散为多个分段，在每一分段内设置基本单元并依照打印的时间序列激活，在模拟打印的过程中，采用线性粘弹性模型描述材料的力学变形，并考虑了材料的温度相关松弛行为以及流动剪切现象，在基本单元表面设置热学接触与力学接触，耦合温度场与应力场进行计算，通过热-力-化学全耦合有限元模拟方法获得贴近于实际打印的结果；再者，本申请的有限元模拟方法考虑了初始残余应力进行打印过程模拟，可用于分析初始残余应力导致的打印件变形的状况，由计算获得的温度数据与应变数据可评价不同打印参数设置下的打印物件性能，所述有限元模拟方法即可提供数据以支持对打印参数的调整。

在某些实施方式中，在模拟计算的过程中，所述显示装置33基于接收的指令可选择显示残余应力场对应的应力云图、变形的位移云图或温度场对应的温度云图中的一者，应理解的，在计算中，所述温度场与残余应力场完全耦合，在每一时刻的计算中即可同时获得瞬态温度场与应力场，在时间步中或模拟打印的整个过程中获得随时间变化的也即动态的温度场、残余应力场，所述显示装置33也可选择同时显示多者。

本申请在第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，存储至少一种程序。其中，所述至少一种程序在被处理器调用时执行并实现如图1至图8d所示实施例中任一实施方式所述的有限元模拟方法。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

于本申请提供的实施例中，所述计算机可读写存储介质可以包括只读存储器、随机存取存储器、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁存储设备、闪存、U盘、移动硬盘、或者能够用于存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机进行存取的任何其它介质。另外，任何连接都可以适当地称为计算机可读介质。例如，如果指令是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字订户线(DSL)或者诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术，从网站、服务器或其它远程源发送的，则所述同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或者诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术包括在所述介质的定义中。然而，应当理解的是，计算机可读写存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或者其它暂时性介质，而是旨在针对于非暂时性、有形的存储介质。如申请中所使用的磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中，磁盘通常磁性地复制数据，而光盘则用激光来光学地复制数据。

在一个或多个示例性方面，本申请所述有限元模拟方法的计算机程序所描述的功能可以用硬件、软件、固件或者其任意组合的方式来实现。当用软件实现时，可以将这些功能作为一个或多个指令或代码存储或传送到计算机可读介质上。本申请所公开的方法或算法的步骤可以用处理器可执行软件模块来体现，其中处理器可执行软件模块可以位于有形、非临时性计算机可读写存储介质上。有形、非临时性计算机可读写存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。

本申请上述的附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这根据所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以通过执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以通过专用硬件与计算机指令的组合来实现。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (31)

1.一种物件三维模型的有限元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

读取所述物件三维模型的G-Code数据及设置的打印信息，所述打印信息包括打印材料的属性信息；

依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息；

依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元，所述基本单元是基于所述物件三维模型预设的；

依据所述打印路径的打印时间序列及确定的时间步依序激活所述物件三维模型中的基本单元；

利用预设的模型对所述物件三维模型中被激活的各基本单元进行耦合模拟计算，以获得描述所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

2.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述G-Code数据包括打印头的打印路径、打印头的移动速度、打印材料输出速度、打印材料加热温度、打印设备的构件板加热温度中的一种或多种信息。

3.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述打印信息还包括设备参数信息，所述设备参数信息包括：打印基板温度、打印腔室温度、挤出头直径、挤出头温度、丝材最高加热温度。

4.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述打印材料的属性信息包括丝材类型、丝材直径、及丝材截面形状中的一种或多种信息。

5.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息的步骤包括：

为所述G-Code数据中的打印路径建立坐标系；

自所述G-Code数据中获取所述打印路径的打印顺序及打印速度，以获得所述打印路径的打印时间序列；

依据预设的时间步将所述打印路径进行网格划分，以离散为多个分段，以使各该分段对应其预设的时间步；

记录每一时间步的起点坐标和终点坐标。

6.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述的依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中，所述基本单元为杆单元。

7.根据权利要求6所述的有限元模拟方法，其特征在于，还包括：依据所述物件三维模型中的当前打印层与上一打印层之间的相对位置，在所述当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立传热接触和/或力学接触的步骤。

8.根据权利要求7所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述建立传热接触和/或力学接触的步骤为在所述物件三维模型中的当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合。

9.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中，所述基本单元为六面体单元。

10.根据权利要求9所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤包括：

依据预设的基本单元以及所述物件三维模型的轮廓建立一模拟域；

在所述模拟域中，依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。

11.根据权利要求10所述的有限元模拟方法，其特征在于，还包括在所述模拟域中依据所述打印材料的属性信息沿所述打印路径建立包络范围的步骤。

12.根据权利要求11所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括设置判断条件的步骤：判断所述基本单元是否处于所述包络范围内，若处于以包络范围内，则激活该单元；若未处于所述包络范围内，则不激活该单元。

13.根据权利要求1、6或9所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤中还包括：依据所述打印时间序列为所述打印路径中需要激活的基本单元赋予方向矢量，使所述打印路径中各基本单元的材料方向顺延所述打印路径的方向。

14.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，还包括获取所述取打印材料的初始残余应力的步骤，以基于所述初始残余应力，利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合温度位移模拟。

15.根据权利要求1所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合模拟计算的步骤中，所述耦合模拟计算为在预设有边界条件下的耦合模拟计算，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件。

16.根据权利要求1或15所述的有限元模拟方法，其特征在于，所述利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合模拟计算的步骤中，所述预设的模型包括用以描述所述打印材料的力学变形的线性粘弹性模型，或/和用以描述所述打印材料的热传导行为的横观各向同性热传导模型或正交各向异性热传导模型。

17.一种物件三维模型的有限元模拟系统，其特征在于，包括：

预处理模块，用于读取所述物件三维模型的G-Code数据及设置的打印信息，并接收到离散指令时依据预设的时间步离散所述G-Code数据中的打印路径，获得每一时间步的起点及终点的位置信息，所述打印信息包括打印材料的属性信息；

生成模块，用于接收到生成指令时依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元，所述基本单元是基于所述物件三维模型预设的；

激活模块，用于接收到激活指令时依据所述打印路径的打印时间序列及确定的时间步依序激活所述物件三维模型中的基本单元；

模拟计算模块，用于利用预设的模型对所述物件三维模型中被激活的各基本单元进行耦合模拟计算，以获得描述所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

18.根据权利要求17所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述预处理模块离散所述G-Code数据中的打印路径的步骤包括：

为所述G-Code数据中的打印路径建立坐标系；

自所述G-Code数据中获取所述打印路径的打印顺序及打印速度，以获得所述打印路径的打印时间序列；

依据预设的时间步将所述打印路径进行网格划分，以离散为多个分段，以使各该分段对应其预设的时间步；

记录每一时间步的起点坐标和终点坐标。

19.根据权利要求17所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述生成模块中的基本单元为杆单元。

20.根据权利要求19所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述生成模块还用于依据所述物件三维模型中的当前打印层与上一打印层之间的相对位置，在所述当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立传热接触和/或力学接触。

21.根据权利要求20所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述建立传热接触和/或力学接触为在所述物件三维模型中的当前打印层的杆单元与对应的上一打印层的杆单元之间建立层间粘合。

22.根据权利要求17所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述生成模块中的基本单元为六面体单元。

23.根据权利要求22所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述生成模块依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元的步骤包括：

依据预设的基本单元以及所述物件三维模型的轮廓建立一模拟域；

在所述模拟域中，依据所述打印路径的打印时间序列确定每一时间步需要激活的基本单元。

24.根据权利要求23所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述生成模块还用于在所述模拟域中依据所述打印材料的属性信息沿所述打印路径建立包络范围。

25.根据权利要求24所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述生成模块还用于判断所述基本单元是否处于所述包络范围内，若处于以包络范围内，则激活该单元；若未处于所述包络范围内，则不激活该单元。

26.根据权利要求17、19或22所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述生成模块还用于依据所述打印时间序列为所述打印路径中需要激活的基本单元赋予方向矢量，使所述打印路径中各基本单元的材料方向顺延所述打印路径的方向。

27.根据权利要求17所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述预处理模块还用于获取所述取打印材料的初始残余应力，以使所述模拟计算模块基于所述初始残余应力，利用预设的模型对所述物件三维模型进行耦合温度位移模拟。

28.根据权利要求17所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述模拟计算模块中的耦合模拟计算为在预设有边界条件下的耦合模拟计算，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件，所述边界条件包括热对流边界条件和/或热辐射边界条件。

29.根据权利要求17或28所述的有限元模拟系统，其特征在于，所述预设的模型包括用以描述所述打印材料的力学变形的线性粘弹性模型，或/和用以描述所述打印材料的热传导行为的横观各向同性热传导模型或正交各向异性热传导模型。

30.一种计算机设备，其特征在于，包括：

存储装置，用于存储至少一个程序，以及预设的模拟计算模型；

处理装置，与所述存储装置相连，用于执行所述至少一个程序，以调用所述存储装置中所述至少一个程序执行并实现如权利要求1-16任一项所述的有限元模拟方法；

显示装置，用于显示所述物件三维模型在打印过程中所述打印材料随时间变化的动态温度场分布和/或动态残余应力场分布的模拟结果。

31.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储至少一种程序，所述至少一种程序被处理器执行时实现如权利要求1-16任一项所述的有限元模拟方法。

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