[发明专利]一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法

权利要求书

1.一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、确定待打印管道的设计参数，设计参数包括：内径、壁厚、管道长度，利用三维绘图软件绘制，并保存为SLM打印机可识别的文件；

S2、将管道的上半部分按照厚度为h进行切片分层，得到待打印管道的悬垂结构模型；

S3、针对步骤S2得到的悬垂结构模型，建立不同工艺参数下和不同悬垂结构区域的有限元分析模型，对管道悬垂结构中残余应力进行分析；

S4、根据步骤S3得到的残余应力分析结果，提取不同工艺参数和不同悬垂角度区域的X向残余应力和Z向残余应力；

S5、针对步骤S2得到的悬垂结构模型，为了确定随着打印层数的增加，其成形高度与残余应力之间的关系，针对不同悬垂角度随着打印层数增加的模型进行分析；

S6、根据步骤S5中不同悬垂角度的X向和Z向的残余应力随打印层数增加的规律，基于不同悬垂结构区域残余应力情况，拟合得到X向和Z向残余应力随成形高度变化的表达式；

S7、根据步骤S3至步骤S6的残余应力计算结果，建立变形管道悬垂结构的数学分析模型，并对管道模型进行简化；

S8、对步骤S7中的管道悬垂结构数学分析模型进行结构离散；

S9、假设节点i的X方向和Y方向的位移分别为Δx_i和Δy_i，并且假设模型每一层成形后都处于平衡状态；

S10、假设步骤S9中的模型中节点i的左侧为固定端，根据步骤S3至步骤S6的残余应力计算结果，进行模型的界面受力分析，结合3D打印的材料力学性能，计算节点i的X方向和Y方向的位移分别为Δx_i和Δy_i，那么，其管道悬垂结构在节点i处的变形预测为：Δx_i1＝x_i-Δx_i，Δy_i1＝y_i+Δy_i，从而计算得到节点i的总变形；

S11、根据步骤S10的总变形结果，对管道进行补偿轮廓设计；

步骤S7中，对管道模型进行简化的方法如下：假设数学分析模型中已打印模型的实体一侧为固定端，由于打印金属粉末迅速凝固收缩，使打印的实体内产生残余应力，将产生的残余应力分解为沿X方向的残余应力σ_x和沿Y方向的残余应力σ_y。

2.根据权利要求1所述的一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法，其特征在于：步骤S8中，对管道悬垂结构数学分析模型进行结构离散的方法如下：按照成形方向将模型的不同层进行编号，自下向上对节点进行编号，第i个悬垂位置节点命名为节点i，其中1≤i≤n。

3.根据权利要求1所述的一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法，其特征在于：步骤S11的具体过程如下：针对形状补偿，其管道在节点i处针对翘曲变形需要补偿量为：Δx_i2＝x_i+Δx_i，Δy_i2＝y_i-Δy_i，从设计轮廓模型中分别减去X方向和Y方向上的结构变形数据，使得通过增材制造得到的管道悬垂结构恢复到设计轮廓模型，从而实现管道的形状补偿。