[发明专利]一种考虑3D打印几何缺陷的有限元计算模型

说明书

本发明公开的一种考虑3D打印几何缺陷的有限元计算模型，属于建模与仿真领域。本方法在建模过程中，考虑了点阵材料杆件的轴线曲度及杆件截面尺寸沿着杆件轴线的分布规律。采用该方法建模的有限元模型，既能预测3D打印点阵材料的变形失效模式，也提高了有限元模型的预测精度。解决了现有有限元建模方法没有全面考虑几何缺陷的分布特性的问题。本发明适用于应用材料等领域，通过建模与仿真对3D打印点阵材料进行测试分析。

技术领域

本发明涉及一种3D打印的有限元计算模型，特别涉及一种有效考虑3D打印几何缺陷的有限元计算模型，属于建模与仿真领域。

背景技术

3D打印点阵材料的成型质量受到不同因素的影响，如打印工艺、打印方向等。目前广泛应用的金属3D打印技术主要包括选区激光熔化和选区电子束熔化。激光选区熔化技术获得的试件其表面质量较好，但内部存在气孔。选区电子束熔化技术打印的试件其内部几乎不存在气孔，但表面质量较差。因此，通过3D打印获得的试件不可避免的存在几何缺陷。研究表明，几何缺陷的存在会使点阵材料的实际力学性能偏离其设计值。考虑几何缺陷对3D打印点阵材料的力学影响对于实际应用具有十分重要的意义。

一般的，3D打印点阵材料的有限元模型主要有以下几种：(1)直接采用实体单元对三维重建的几何模型进行网格划分；(2)对3D打印点阵材料部分杆件的截面尺寸进行测量，取其平均值作为梁单元的截面尺寸；(3)测量三维重构几何中部分杆件的最小截面尺寸，将其作为梁单元的截面尺寸；(4)测量三维重构几何中部分杆件沿着轴线方向变化的截面尺寸，对单胞中两个节点之间的部分分段赋予不同的截面尺寸，然后阵列基础胞元得到全尺寸有限元模型；(5)对三维重构几何模型中的部分杆件进行截面尺寸的测量，计算不同类型杆件截面尺寸的平均值和标准差，然后拟合得到几何缺陷的概率密度函数，最终通过对概率密度函数抽样建立包含几何缺陷的梁单元模型。

由于以上模型没有全面的考虑几何缺陷的分布特点，导致有限元模型对3D打印点阵材料力学响应的预测能力有限，计算精度有待提高。

发明内容

本发明的目的是在低计算资源的前提下，为提高梁单元有限元模型预测3D打印点阵材料实际力学性能的能力，提供了一种新的建立有限元模型的方案。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：根据几何缺陷所表现出的宏观几何特性，将其分为截面尺寸沿着轴线的变化和杆件的轴线偏差，对这两种几何缺陷进行量化，获得其概率密度函数，最终将这些几何缺陷引入到理想梁单元有限元模型中。

一种考虑3D打印几何缺陷的有限元计算模型，具体包括以下主要步骤：

步骤一、建立3D打印试件的数字模型

将采用CT断层扫描技术得到的3D打印试件的二维灰度图导入到三维重构软件中，重建3D打印试件的三维数字模型。

步骤二、点阵材料中杆件的分类

根据点阵材料中杆件的打印特征和几何特征对杆件进行分类，在本发明专利中主要考虑杆件的打印角度和长度。

步骤三、获取杆件的几何信息

根据步骤二中杆件的分类结果，在步骤一中已获得的数字模型中随机选取不同类型的杆件，并将其重建为面网格。

a)建立一系列垂直杆件轴线的平面，以获得杆件的外轮廓线。将处于轮廓线上的点存储到文件中。

b)由于实际打印获得的截面形状和截面尺寸与设计值具有一定偏差。将圆的方程作为拟合函数，结合最小二乘法，对a中获得的轮廓线上的点进行拟合，并将拟合得到的圆心坐标和截面半径存储到文件中。

步骤四、缺陷类型的评价

根据几何缺陷对杆件产生的宏观影响，对缺陷类型进行分类。