一种基于生死单元法的细杆类多孔结构变形数值补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于生死单元法的细杆类多孔结构变形数值补偿方法，其主要通过生死单元法仿真细杆类多孔结构逐个单元的3D打印过程，其中包括了温度场的打印过程仿真和应力场的打印过程仿真；依据温度场和应力场耦合理论计算得到细杆类零件变形量；通过法向变形补偿法计算得到模型中所有节点重构坐标；以点构线、以线构面，以面构体，扫掠得到细杆类零件重构模型，进而得到重构点阵模型。本发明专利技术巧妙地应用生死单元法仿真细杆类多孔结构逐个单元的3D打印过程，将减少打印件变形量问题转变为改变初始几何模型的问题，为提高3D打印成型零件的精度提供了一条全新的思路。件的精度提供了一条全新的思路。件的精度提供了一条全新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于生死单元法的细杆类多孔结构变形数值补偿方法


[0001]本专利技术涉及3D打印相关
中的零件变形数值补偿方法，更具体地，涉及一种基于生死单元法的细杆类多孔结构变形数值补偿方法。

技术介绍

[0002]3D打印技术也称为增材制造技术，是指融合了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制和材料科学等一系列技术，通过将塑料、金属、粉末等材料层层堆叠形成目标实体。3D打印概念旨在通过对传统制造业的工艺进行改良，3D打印技术的出现彻底改变了工业生产的模式。随着3D打印技术的成熟，它已被广泛地应用于航空航天、医疗、建筑、美学产品等多个领域。
[0003]3D打印零件的成型精度直接影响零件的结构性能以及合格与否，特别是多孔结构(点阵结构)，其由一系列细杆件(长径比>>10)按照一定的规则组合而成，其结构性能对细杆件成型精度直接相关。因此，通过提高细杆件成型精度来降低多孔结构变形量，进而提高多孔结构的整体结构性能显得至关重要。细杆件成型精度与打印路径、成型方式等因素相关。目前已存在的提高细杆件打印精度的方式有如下2种：
①
路径规划；
②
零件后处理。现有的提高细杆件成型精度的方式主要依靠工程经验来不断的试错，不仅效率低下而且成本较高。因为，设计出一种基于规范方法化的高效率低成本的提高细杆件成型精度的方法显得非常重要。

技术实现思路

[0004]1、鉴于以上现有技术问题，本专利技术提出了一种基于生死单元法的细杆类多孔结构变形数值补偿方法。
[0005]2、一种基于生死单元法的细杆类多孔结构变形数值补偿方法包括以下步骤：
[0006](1)建立细杆类零件几何模型，并对细杆类零件几何模型进行网格划分。
[0007](2)依据离散单元和离散精度，获取网格节点编号及节点坐标，网格节点编号N
i
,i＝1,
…
,n，网格节点坐标D＝{
…
,(x
i
，yi，z
i
),
…
},i＝1,
…
,n，其中(x
i
，yi，z
i
)为i节点坐标。
[0008](3)设置细杆类零件材料属性、定义边界条件以及初始温度等初始条件。
[0009](4)生死单元法杀死所有需打印的单元(所有需打印的单元刚度乘以一个极小的减缩系数
×1×
10
‑9)。
[0010](5)激活单元进行温度场热分析：依据打印路径逐个激活待打印单元(待打印单元刚度恢复原值
×1×
109)，加载初始条件，仿真逐个单元打印过程，输出温度场。
[0011](6)判断是否是最后一个单元。若不是则重复步骤(5)；若是则更新初始条件，生死单元法杀死所有需打印的单元(所有需打印的单元刚度乘以一个极小的减缩系数
×1×
10
‑9)。
[0012](7)激活单元进行应力场变形分析：依据打印路径逐个激活待打印单元(待打印单
元刚度恢复原值
×1×
109)，加载步骤(5)中该单元的热载荷，仿真逐个单元打印过程，输出应力场。
[0013](8)判断是否是最后一个单元。若不是则重复步骤(7)；若是则结束。
[0014](9)计算节点应变量：依据温度场和应力场耦合理论，计算得到细杆类零件应变量ε＝{ε1，ε2，
…
，ε
i
，
…
，ε
n
}，其中ε
i
为i节点的总应变量。
[0015]ε
i
＝K
‑1σ
i
+αΔT
i
[0016][0017]其中节点i的总应变ε
i
＝[ε
ix ε
iy ε
iz ε
ixy ε
ixy ε
ixz
]T
；节点i的总应力σ
i
＝[σ
ix σ
iy σ
iz σ
ixy σ
ixy σ
ixz
]T
；热膨胀系数α＝[α
x α
y α
z 0 0 0]T
；E、ν、G分别为杨氏模量、泊松比、剪切模量。
[0018](10)法向变形补偿法：根据步骤(9)中节点应变量推导得到节点变形量S＝{s1，s2，
…
，s
i
，
…
，s
n
}，将每个节点的节点变形量沿法向
×
(
‑
1)并与步骤(2)中的节点坐标相加从而得到每个节点的新坐标即重构节点坐标D
*
，扫掠重构节点坐标获得细杆类重构模型。其中s
i
为i节点的仿真打印变形量，变形量s
i
定义如下：
[0019]s
i
＝(s
xi
，s
yi
，s
zi
)＝((x
i
‑
x
′
i
)，(y
i
‑
y
′
i
)，(z
i
‑
z
′
i
))
[0020]其中重构节点坐标更新被定义为：
[0021]D
*
＝D
‑
S
[0022]即：D
*
＝{
…
,(x
*i
，y
*i
，z
*i
),
…
}
[0023]＝{
…
,(x
i
，y
i
，z
i
),
…
}
‑
{
…
,(s
xi
，s
yi
，s
zi
),
…
}
[0024]＝{
…
,(x
i
‑
s
xi
，y
i
‑
s
yi
，z
i
‑
s
zi
),
…
}
[0025]x
i
，y
i
，z
i
为i节点初始坐标；x
′
i
，y
′
i
，z
′
i
为i节点变形坐标；x
*i
，y
*i
，z
*i
为i节点重构坐标；其中i＝1,
…
,n。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于生死单元法的细杆类多孔结构变形数值补偿方法，其特征在于：包括以下步骤，(1)建立细杆类零件几何模型，并对细杆类零件几何模型进行网格划分。(2)依据离散单元和离散精度，获取网格节点编号及节点坐标，网格节点编号N
i
,i＝1,
…
,n，网格节点坐标D＝{
…
,(x
i
，y
i
，z
i
),
…
},i＝1,
…
,n，其中(x
i
，y
i
，z
i
)为i节点坐标。(3)设置细杆类零件材料属性、定义边界条件以及初始温度等初始条件。(4)生死单元法杀死所有需打印的单元(所有需打印的单元刚度乘以一个极小的减缩系数
×1×
10
‑9)。(5)激活单元进行温度场热分析：依据打印路径逐个激活待打印单元(待打印单元刚度恢复原值
×1×
109)，加载初始条件，仿真逐个单元打印过程，输出温度场。(6)判断是否是最后一个单元。若不是则重复步骤(5)；若是则更新初始条件，生死单元法杀死所有需打印的单元(所有需打印的单元刚度乘以一个极小的减缩系数
×1×
10
‑9)。(7)激活单元进行应力场变形分析：依据打印路径逐个激活待打印单元(待打印单元刚度恢复原值
×1×
109)，加载步骤(5)中该单元的热载荷，仿真逐个单元打印过程，输出应力场。(8)判断是否是最后一个单元。若不是则重复步骤(7)；若是则结束。(9)计算节点应变量：依据温度场和应力场耦合理论，计算得到细杆类零件应变量ε＝{ε1，ε2，
…
，ε
i
，
…
，ε
n
}，其中ε
i
为i节点的总应变量。ε
i
＝K
‑1σ
i
+αΔT
i
其中节点i的总应变ε
i
＝[ε
ix ε
iy ε
iz ε
ixy ε
ixy ε
ixz
]
T
；节点i的总应力σ
i
＝[σ
ix σ
iy σ
iz σ
ixy σ
ixy σ
ixz
]
T
；热膨胀系数α＝[α
x α
y α
z 0 0 0]
T
；E、ν、G分别为杨氏模量、泊松比、剪切模量。(10)法向变形补偿法：根据步骤(9)中节点应变量推导得到节点变形量S＝{s1，s2，
…
，s
i
，
…
，s
n
}，将每个节点的节点变形量沿法向
×
(
‑
1)并与步骤(2)中的节点坐标相加从而得到每个节点的新坐标即重构节点坐标D
*
，扫掠重构节点坐标获得细杆类重构模型。其中s
i
为i节点的仿真打印变形量，变形量s
i
定义如下：
s
i
＝(s
xi
，s
yi
，s
zi
)＝((x
i
‑
x
′
i
)，(y
i
‑
y
′
i
)，(z
i
‑
z
′
i
))其中重构节点坐标更新被定义为：D
*
＝D
‑
S即：D
*
＝{
…
,(x
*i
，y
*i
，z
*i
),
…
...

【专利技术属性】
技术研发人员：白如清，梁冠，蒲华燕，赵晶雷，易进，李雪平，元书进，罗均，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：