基于多尺度分析的制造技术

本发明专利技术公开了基于多尺度分析的

【技术实现步骤摘要】
基于多尺度分析的3D打印复合材料的力学性能仿真方法


[0001]本专利技术属于
3D
打印复合材料的仿真
，具体是基于多尺度分析的
3D
打印复合材料的力学性能仿真方法
。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成，纤维与基体材料经过共混
、
注塑
、
压缩成型等一些列工艺形成复合材料，其相较原始基体具有更优异的机械强度高
、
摩擦磨损性能
、
抗腐蚀性好等特点
。3D
打印又称增材制造，是一种新型的加工成型方式，可制造出满足个性化需求的样品，目前应用较多的聚合物
3D
打印技术包括选择性激光烧结技术
(SLS
技术
)
和熔融沉积技术
(FDM
技术
)
，
FDM
技术相比
SLS
技术而言，其加工成本更低且材料利用率更高，目前已在骨科医疗等领域得到广泛应用
。FDM
技术的工作原理是将丝状的热熔性材料加热熔化，在计算机系统的控制下将熔融状态的材料经送丝机构输送到打印喷头，喷头根据设置的打印路径将材料挤出，挤出后的液体逐渐凝固成型，工作台将材料通过堆叠成型的方式，完成样品的打印，基于分层制造原理，
FDM
复合材料成型件在不同打印角度的力学性能存在显著差异
。
通过传统的物理测试方法获得不同打印角度复合材料的力学性能不仅耗时耗费，还难以模拟复杂受力工况，阻碍了该技术在骨科假体领域的应用进展
。
[0003]目前已有用于仿真
3D
打印复合材料的力学性能的宏观模型，但是
3D
打印角度的改变难以在宏观模型表现出来，导致难以仿真不同打印角度复合材料的力学参数
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供基于多尺度分析的
3D
打印复合材料的力学性能仿真方法，从而在多个尺度有效预测
3D
打印短纤维增强复合材料的力学性能，克服了物理试验耗时耗力和成本高的问题
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]基于多尺度分析的
3D
打印复合材料的力学性能仿真方法，包括如下步骤：
[0007]步骤
1、
根据短纤维的直径
、
长度和体积含量，建立短纤维随机分布的微观尺度代表性体积单元；
[0008]步骤
2、
对短纤维随机分布的微观尺度代表性体积单元进行虚拟加载，获得短纤维增强复合材料的力学性能参数，将力学性能参数赋予
3D
打印丝材的材料属性；
[0009]步骤
3、
依据短纤维增强复合材料的力学性能参数，建立
3D
打印短纤维增强复合材料的介观尺度有限元模型，并加入打印角度的影响变量；
[0010]步骤
4、
对
3D
打印短纤维增强复合材料的介观尺度有限元模型进行虚拟加载，获得不同打印角度的
3D
打印短纤维增强复合材料的力学性能参数；
[0011]步骤
5、
依据不同打印角度的
3D
打印短纤维增强复合材料的力学性能参数，建立符合实际假体打印路径的宏观尺度有限元模型，对宏观尺度有限元模型进行虚拟加载从而获得实际产品的力学参数
。
[0012]进一步地，所述步骤1的具体过程为：
[0013]步骤
1.1、
结合圆柱相交检测方法，通过
Python
语言编写随机分布短纤维增强复合材料的程序，将程序导入
ABAQUS
；
[0014]步骤
1.2、
设定单胞类型是棱长为
100um
的正六面体模型，正六面体模型包括微观基体和随机分布在其内部的短纤维；
[0015]步骤
1.3、
对每次生成的短纤维的位置进行相交判断，若短纤维之间两两无相交，则接受当前短纤维的排布，从而生成复合材料的微观尺度代表性体积单元
。
[0016]进一步地，所述步骤
1.3
还包括对微观尺度代表性体积单元进行网格划分，微观基体和短纤维的网络类型均为四结点线性四面体单元
。
[0017]进一步地，所述步骤2的虚拟加载是指对微观尺度代表性体积单元施加边界条件直至其失效，从而得到用于计算短纤维增强复合材料力学性能参数的应力
‑
应变曲线
。
[0018]进一步地，所述步骤3的介观尺度有限元模型包括介观基体和融丝，融丝为
3D
打印机挤出的
3D
打印丝材，介观基体和融丝之间以及介观基体之间均插接有内聚力单元
。
[0019]进一步地，所述内聚力单元的初始损伤准则为
Quads
损伤起始准则
。
[0020]进一步地，所述步骤3的打印角度为0°
、30
°
、45
°
、60
°
或
90
°
。
[0021]进一步地，所述步骤3还包括对介观尺度有限元模型进行网格划分，介观基体和融丝的网格类型为八结点线性六面体单元，非协调模式；
[0022]所述内聚力单元为八结点三维粘结单元
。
[0023]进一步地，所述步骤4的虚拟加载是指对介观尺度有限模型施加边界条件直至其失效，从而得到用于计算不同打印角度的
3D
打印短纤维增强复合材料力学性能参数的应力
‑
应变曲线
。
[0024]进一步地，所述步骤5的虚拟加载是指对符合实际假体打印路径的宏观尺度有限元模型施加边界条件直至其失效，从而得到用于计算实际产品力学参数的应力
‑
应变曲线
。
[0025]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0026]本专利技术通过对构建的微观尺度代表性体积单元进行虚拟加载试验，获得了短纤维增强复合材料的力学性能参数，将力学性能参数赋予
3D
打印丝材的材料属性，从而实现了对宏观模型进行局部细化，构建出针对不同打印路径
(
即不同打印角度
)
的
3D
打印短纤维增强复合材料的介观仿真模型，将在此模型下得到的力学参数输入至符合实际假体打印路径的宏观尺度仿真模型中，以获得实际产品的力学性能，可见，本专利技术提供的多尺度建模思路实现了不同尺度之间的参数传递，可在多个尺度有效预测
3D
打印复合材料的强度
、
模量等力学性能参数，克服了现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于多尺度分析的
3D
打印复合材料的力学性能仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
1、
根据短纤维的直径
、
长度和体积含量，建立短纤维随机分布的微观尺度代表性体积单元；步骤
2、
对短纤维随机分布的微观尺度代表性体积单元进行虚拟加载，获得短纤维增强复合材料的力学性能参数，将力学性能参数赋予
3D
打印丝材的材料属性；步骤
3、
依据短纤维增强复合材料的力学性能参数，建立
3D
打印短纤维增强复合材料的介观尺度有限元模型，并加入打印角度的影响变量；步骤
4、
对
3D
打印短纤维增强复合材料的介观尺度有限元模型进行虚拟加载，获得不同打印角度的
3D
打印短纤维增强复合材料的力学性能参数；步骤
5、
依据不同打印角度的
3D
打印短纤维增强复合材料的力学性能参数，建立符合实际假体打印路径的宏观尺度有限元模型，对宏观尺度有限元模型进行虚拟加载从而获得实际产品的力学参数
。2.
根据权利要求1所述的基于多尺度分析的
3D
打印复合材料的力学性能仿真方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：步骤
1.1、
结合圆柱相交检测方法，通过
Python
语言编写随机分布短纤维增强复合材料的程序，将程序导入
ABAQUS
；步骤
1.2、
设定单胞类型是棱长为
100um
的正六面体模型，正六面体模型包括微观基体
(1)
和随机分布在其内部的短纤维
(2)
；步骤
1.3、
对每次生成的短纤维
(2)
的位置进行相交判断，若短纤维
(2)
之间两两无相交，则接受当前短纤维
(2)
的排布，从而生成复合材料的微观尺度代表性体积单元
。3.
根据权利要求2所述的基于多尺度分析的
3D
打印复合材料的力学性能仿真方法，其特征在于，所述步骤
1.3
还包括对微观尺度代表性体积单元进行网格划分，微观基体
(1)
和短纤维
(2)
的网络类型均为四结点线性四面体单元
。4.
根据权利要求1所述的基于多尺度分析的
3D
打印复合材料的力学...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛骅，牛昭予，张泰，陈琪琪，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：