一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法

一种基于力流管载荷路径的3d打印填充设计方法
技术领域
1.本发明涉及3d打印技术，尤其是涉及一种基于力流管载荷路径的3d打印填充设计方法。


背景技术：

2.增材制造又称3d打印技术，它的出现让制造具有更高复杂度和定制化的零件成为可能。3d打印不同于传统的铸造和切削加工方式，其制造过程是材料和结构同时生成的，其材料密度不一定是密实填充。在设计好零件外观结构尺寸以及不改变基材料特性的基础上，利用单元晶格或孔隙薄壁等结构代替密实填充可以实现零件的轻量化设计并提升强度性能，这种全新的零件设计研发方法对增材制造业有着非常深远的影响，有助于加工具有一定强度和韧性损伤容限的零件，同时还可以改善零件对外部载荷的响应性能。
3.零件整体结构的性能与内部填充的单元晶格或孔隙的形状、尺寸、排列分布密切相关。目前采用3d打印方法所设计的零件内部填充结构多采用线性网格或均匀蜂窝，或者基于米歇尔桁架或主应力线等拓扑结构，但是这些结构没有考虑主载荷方向，容易出现由于孔缺陷等问题引起的局部薄弱，大大降低了零件整体的强度。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于力流管载荷路径的3d打印填充设计方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于力流管载荷路径的3d打印填充设计方法，包括以下步骤：
7.1)根据有限元分析结果绘制零件的力流场可视化图形；
8.2)根据力流场分别确定力流线以及主区域fm和非主区域fr；
9.3)对零件装夹区域a以及载荷施加区域b进行网格填充，并对主区域力流线进行修剪以及合并曲线，确定打印顺序形成最终的力流层flayer，并输出单层打印路径；
10.4)将不同主载荷方向的力流层flayer或混合其他填充线型层进行层间排列，并按层叠顺序逐一输出打印路径。
11.所述的步骤1)具体包括以下步骤：
12.11)设定零件的主受力方向并按照主受力方向与直角坐标系方向的关系构建计算机三维模型；
13.12)划分零件装夹区域a以及载荷施加区域b，确定约束边界lb以及载荷边界或载荷点lf；
14.13)设定试验参数进行有限元分析，得到有限元分析各节点的坐标(x,y)以及各节点对应的正应力σ
x
和切应力τ
xy
；
15.14)获取各节点的力流场方向，并绘制力流场可视化图形。
16.所述的步骤14)中，各节点的力流场方向通过公式tanθ＝τ
xy
/σ
x
计算获得，其中，θ为各节点的矢量方向角。
17.所述的步骤2)具体包括以下步骤：
18.21)设定填充质量密度以及挤出头口径d，并根据施加的载荷类型确定起始点k；
19.22)设定步长精度ls，从各个起始点k开始，按照力流场在各节点处矢量方向，通过步进迭代画出力流线sm，该力流线sm所填充区域作为主区域fm；
20.23)在除主区域fm外的非主区域fr内随机撒点，依据力流场画出力流线sr，按照非主区域fr的受力强度设定线间隔对力流线进行筛选。
21.所述的步骤21)中，若施加的载荷为边界均布载荷fa，则在载荷边界lf上均匀分布个起始点k；若施加的载荷为点载荷fp，则在受力点周围划定半径为r的小圆作为均布载荷边界，并按照均布载荷处理。
22.所述的步骤23)中，在主区域fm和非主区域fr内的力流线密集处，利用挤出因子δ控制挤出倍率，实现变挤出打印，防止丝材叠加。
23.所述的步骤3)中，对零件装夹区域a以及载荷施加区域b进行网格填充具体为：
24.确定三维模型边界及所有填充线的分段长度li，根据打印总体积va与模型总体积v的比值反馈调节sm和sr的数量直至后进行网格填充。
25.所述的打印总体积va的计算式为：
26.va＝(πd2∑δili)/4
27.其中，δi为第i条填充线段的挤出因子。
28.所述的步骤3)中，按打印挤出宽度将外轮廓向内偏置，对主区域fm内的力流线sm进行修剪并连接临近端点合并曲线，确定打印顺序形成最终的力流层flayer，得到单层打印路径。
29.所述的步骤4)中，其他填充线型层包括线性网格层、蜂窝网格层和主应力线网格层。
30.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.1、本发明将力流管的理论体系应用到3d打印填充零件内部结构，改变了现有零件的设计和制造方式，为打造零件轻量化、提高零件性能提供可能。
32.2、本发明能够通过调整有限元分析网格的疏密并配合适当的步进精度，达到控制打印力流线与理论力流线的误差，在精确性和经济性之间寻找平衡点。
33.3、本发明能够通过各种排列方式层间结合不同填充线型，不同主载荷方向的力流层、线性网格层、蜂窝网格层、主应力线网格层以及其他定义下的力流层，以生成各种网格或正交结构，例如：(x力流，y力流)(x力流，蜂窝，y力流)(网格，力流，网格)等。
34.4、本发明区别了主载荷方向的“贯穿式”力流线和局部载荷的“涡流式”力流线，对它们采用不同的生成方式，前者利用确定起始点数量自动生成，后者利用控制间隔法撒点划线后筛选。
35.5、本发明还能够按照此路径布置碳纤维，对结构进行加强。
附图说明
36.图1为待加工零件的载荷条件设置，其中，d为受力主方向，a为装夹区域，b为载荷施加区域，lb为约束边界，lf为载荷边界。
37.图2为力流场f可视化图形。
38.图3为力流线路径示意图。
39.图4为合并主区域的力流线形成完整打印路径的过程图。
40.图5为规划后的打印区域顺序。
41.图6为本发明的方法流程图。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
43.实施例
44.如图6所示，本发明提供一种基于力流管载荷路径的3d打印填充设计方法，该方法包括以下步骤：
45.1)设定零件的主受力方向按照主受力方向与直角坐标系方向的关系：建立计算机三维模型；
46.2)划定零件装夹区域a以及载荷施加区域b，确定约束边界lb与载荷边界(或载荷点)lf，如图1所示；
47.3)设定试验参数，进行有限元分析，得到有限元分析节点的坐标(x,y)以及对应各点的正应力σ
x
和切应力τ
xy
；
48.4)依据公式tanθ＝τ
xy
/σ
x
计算各节点的力流场方向并绘制力流场可视化图形，如图2所示；
49.5)设定填充质量密度以及挤出头口径d，若施加的载荷为边界均布载荷fa，则在载荷边界lf上均匀分布个起始点k；若施加的载荷为点载荷fp，则在受力点周围划定半径为r的小圆作为均布载荷边界，按均布载荷处理；
50.6)设定步长精度ls，从各个起始点k开始，按照力流场在各点处的矢量方向，通过步进迭代画出力流线sm，力流线sm所填充区域作为主区域fm；
51.7)在非主区域fr内随机撒点，依据力流场画出力流线sr，按照非主区域fr受力强度设定线间隔对力流线进行筛选，如图3所示；
52.8)在力流线密集处，利用挤出因子δ控制挤出倍率，实现变挤出打印，防止丝材叠加；
53.9)计算模型边界及所有填充线的分段长度li，计算打印总体积va＝(πd2∑δili)/4，并根据其与模型总体积的比值va/v反馈调节sm和sr的数量直至
54.10)对零件装夹区域a以及载荷施加区域b采用现有网格填充；
55.11)按打印挤出宽度将外轮廓向内偏置，按图4方式对主区域力流线进行修剪并连接临近端点以合并曲线；
56.12)规划打印区域顺序，从右到左依次打印，形成最终的力流层flayer，并输出单
层打印路径，如图5所示；
57.13)将不同主载荷方向的力流层flayer按不同模式进行层间排列，也可以混合其他填充线型层，按层叠顺序逐一输出打印路径。
58.综上，本发明提出了一种由载荷路径确定零件填充结构的设计方法，并利用挤出式3d打印技术进行加工制造的技术途径，载荷路径有多种定义方式，具体采用力流管(force tube)所表征的载荷方向，该载荷路径定义能保证在主载荷方向上保持恒定的载荷传递，解决因为孔缺陷等问题引起的局部薄弱，最终提高零件整体的强度。