【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及复合材料制造的，特别涉及一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法。
技术介绍
1、由于3d打印的高制造灵活性和率，以3d打印为代表的增材制造技术正在被广泛用于设计与制造各类几何形状复杂的多功能结构。为了提高打印结构的力学性能，满足工程应用需要，3d打印正在从采用单一材料发展到多材料融合使用，例如多种聚合物、陶瓷/金属和短纤维增强复合材料。连续纤维增强热塑性复合材料(cfrtp)，作为一类重要的工程多相材料，具有优异的比刚度、比强度、耐腐蚀性和耐久性，在航空航天、汽车和建筑行业有着广泛的应用。同时，cfrtp的各向异性特性可以丰富结构设计及优化方案，从而提高复合材料结构的力学性能。虽然使用3d打印方法制造的cfrtp零部件在实际工程中应用前景广阔，但是3d打印过程中涉及的复杂物理变化和化学反应，导致结构在打印过程中易产生制造缺陷，当前难以获得满足工程应用的高质量cfrtp结构件。cfrtp增材制造过程中，由于预浸渍丝材只能在沉积位置附近获得短暂加热，高粘度的热塑性树脂在打印过程中的熔融时间非常短，进而导致纤维束内的树脂浸渍不充分，最终使得3d打印的复合材料结构内部存在空隙。这些在3d打印过程中产生的初始缺陷是导致增材制造的复合材料结构力学性能劣化的主要原因，阻碍了3d打印连续纤维增强复合材料结构的工程应用。
2、目前，针对3d打印工艺过程的研究主要集中于纯树脂材料[21,22]。但采用连续纤维增强复合材料的3d打印工艺过程与纯树脂材料存在许多不同。与纯树脂材料的3d打印过程相比，连续纤维复合材料在打
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术的目的是提供一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，实现了通过制造参数直接对复合材料试样拉伸强度直接预测的方法，避免了通过大量繁琐试验测定3d打印连续纤维增强复合材料力学性能。为了实现根据本专利技术的上述目的和其他优点，提供了一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，包括：
2、s1、建立3d打印过程层间树脂胞体和复合材料胞体的三维热场模型；
3、s2、建立层间树脂胞体在打印过程中压力作用下的紧密接触模型，得到所述层间树脂胞体的接触长度；
4、s3、建立层间树脂胞体在打印过程中树脂的分子扩散模型，得到所述层间树脂胞体的扩散程度；
5、s4、建立复合材料胞体在打印过程中树脂在纤维束内的浸渍模型，得到所述复合材料胞体的浸渍程度；
6、s5、根据层间树脂胞体在打印过程中接触长度和扩散程度随温度历史的变化，建立层间树脂胞体模型在打印过程中树脂粘合性能表征模型，得到所述层间树脂胞体模型的层间粘合强度；
7、s6、根据复合材料胞体在打印过程中浸渍程度随温度历史的变化，建立复合材料胞体模型在打印过程中纤维束内缺陷表征模型，得到所述复合材料胞体模型的等效力学性能；
8、s7、根据层间树脂胞体层间粘合强度和复合材料胞体横向拉伸强度，建立3d打印连续纤维增强复合材料横向拉伸有限元模型，得到3d打印连续纤维增强复合材料的横向拉伸强度。
9、优选的，步骤s1中三维热场模型中传热方程如式1所示：
10、
11、其中，l、w和h分别是复合材料胞体模型的长度、宽度和高度，ρ和c分别是复合材料胞体模型的密度和比热容，te是打印过程中的环境温度,ts和tadj分别是当前所研究微元的温度以及与当前研究微元所接触微元的温度，ki，ka和hconv是相应的传热系数，αi是每个接触的所占横截面周长的比例，φl是打印过程中可能的外热源源项，δt是传热模型的时间步长。
12、优选的，步骤s2中层间树脂胞体的层间紧密接触模型中胞体高度演化方程如式2所示：
13、
14、其中，he是层间树脂胞体模型的高度，he0是层间树脂胞体模型的初始高度，wid0是层间树脂胞体模型的初始接触宽度，widnom是层间树脂胞体模型的初始未接触宽度，η是树脂的粘度，δt是模型用于计算的步长。
15、所述层间树脂胞体的层间紧密接触模型中接触程度演化方程如式3所示：
16、
17、其中是层间树脂胞体在时间步t时的接触程度。
18、优选的，步骤s3中层间树脂胞体的分子扩散模型中分子扩散演化方程式如式4所示：
19、
20、其中是层间树脂胞体的分子扩散模型中树脂在时间步t时的扩散程度，τrep是层间树脂胞体的分子扩散模型中树脂材料的弛豫时间。
21、优选的，步骤s4中复合材料胞体的浸渍模型中纤维束内树脂的流动方程如式5所示：
22、
23、其中是未被浸渍区域在时间步t时的半径，kr是纤维束的渗透率，η是树脂粘度，p是喷嘴压力，re是纤维束的相应曲率半径。
24、所述复合材料胞体的浸渍模型中浸渍程度方程如式6所示：
25、q＝rimp(2b-rimp)/b2 (6)；
26、其中q是浸渍程度，b是纤维束等效椭圆的短轴长度，rimp是流动前沿长度，且rimp＝re-runimp。
27、优选的，步骤s5中层间树脂胞体的层间粘合强度方程如式7所示：
28、
29、其中dtotal是粘合强度，代表在粘合过程中自第i个时间步开始进行的扩散方程。
30、优选的，步骤s6中复合材料胞体模型等效力学性能通过abaqus软件建立代表性体积元并施加周期性边界进行计算，进行损伤判定准则，其中损伤判定准则包括最大应力损伤判定准则和hashin损伤判定准则，且根据最大应力损伤判定准则计算载荷作用下的所述复合材料胞体模型中的树脂区、未浸渍区失效情况；根据hashin损伤判定准则计算载荷作用下的复合材料胞体模型中的浸渍区失效情况。
31、优选的，步骤s7中复合材料胞体模型横向拉伸强度通过abaqus软件建立等尺寸模型并施加位移边界进行计算，根据损伤判定准则，分别计算拉伸载荷下的层间树脂胞体和复合材料胞体的失效情况，得到拉伸应力-应变关系曲线；
32、根据拉伸载荷-位移关系曲线预测3d打印连续纤维增强复合材料强度；
33、其中根据所述最大应力损伤判定准则计算拉伸载荷下的所述层间树脂胞体模型的失效情况；根据hashin损伤判定准则计算拉伸载荷下的复合材料胞体模型的失效情况。
34、本专利技术与现有技术相比，其有益效果是：本专利技术弥补目前连续纤维增强复合材料3d打印缺乏温度、浸渍度以及层间粘合强度预测方法的不足，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤S1中三维热场模型中传热方程如式1所示：
3.如权利要求2所述的一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤S2中层间树脂胞体的层间紧密接触模型中胞体高度演化方程如式2所示：
4.如权利要求3所述的一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤S3中层间树脂胞体的分子扩散模型中分子扩散演化方程式如式4所示：
5.如权利要求4所述的一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤S4中复合材料胞体的浸渍模型中纤维束内树脂的流动方程如式5所示：
6.如权利要求1所述的一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤S5中层间树脂胞体的层间粘合强度方程如式7所示：
7.如权利要求1所述的一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤S6中复合材料胞体模型等效力学性能
8.如权利要求7所述的一种考虑制造过程的3D打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤S7中复合材料胞体模型横向拉伸强度通过Abaqus软件建立等尺寸模型并施加位移边界进行计算，根据损伤判定准则，分别计算拉伸载荷下的层间树脂胞体和复合材料胞体的失效情况，得到拉伸应力-应变关系曲线；
...【技术特征摘要】
1.一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤s1中三维热场模型中传热方程如式1所示：
3.如权利要求2所述的一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤s2中层间树脂胞体的层间紧密接触模型中胞体高度演化方程如式2所示：
4.如权利要求3所述的一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤s3中层间树脂胞体的分子扩散模型中分子扩散演化方程式如式4所示：
5.如权利要求4所述的一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，其特征在于，步骤s4中复合材料胞体的浸渍模型中纤维束内树脂的流动方程如式5所示：
6.如权利要求1所述的一种考虑制造过程的3d打印复合材料强度预测方法，其特征在于...
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