[发明专利]基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法

权利要求书

1.一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，该方法通过待打印零件设计域内各节点的主应力方向绘制主应力轨迹线，并根据零件内部的主应力轨迹线规划形成连续纤维增强路径，使得连续纤维的分布和走向最优，保证连续纤维始终处于轴向受力的状态，最大程度上提升连续纤维增强复合材料的力学性能。

2.根据权利要求1所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)确定待打印零件需要添加的连续纤维目标体积分数V_Fref，并设定初始插值点数量N₀；

2)根据零件实际工况下的载荷和约束条件建立有限元分析模型，并根据有限元分析结果提取设计域内各节点的主应力方向信息；

3)根据设计域内的插值点数量N和所提取的节点的主应力方向信息绘制生成主应力轨迹线；

4)根据生成绘制好的满足目标体积分数的主应力轨迹线，分别将最大主应力轨迹线和最小主应力轨迹线连接成一条或数条连续的路径，即连续纤维增强路径，以最大程度上增加纤维打印过程中的连续性，并根据连续纤维增强路径进行3D打印。

3.根据权利要求2所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，所述的步骤1)中，根据待打印零件的轻量化、力学性能和结构效率要求确定所需要添加的连续纤维目标体积分数。

4.根据权利要求2所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，所述的步骤2)中，对于二维平面设计域，则分别提取每个节点在两个主应力方向X和Y方向的分量σ_x和σ_Y，对于三维设计域，则分别提取每个节点在三个主应力方向X、Y和Z方向的分量σ_x、σ_Y和σ_Z。

5.根据权利要求2所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，所述的步骤3)中，通过调节插值点数量N使连续纤维体积分数V_F达到连续纤维目标体积分数V_Fref。

6.根据权利要求5所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，所述的步骤3)中，连续纤维的体积分数V_F的计算式为：

V_F＝V_CF/V＝πr²∑L_i/V

其中，V_CF为待打印零件内部所添加的所有连续纤维的体积，V为待打印零件的总体积，r为连续纤维的截面半径，∑L_i表示与插值点数量N相关的连续纤维总长度。

7.根据权利要求6所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，所述的步骤3)中，若当前连续纤维体积分数小于目标体积分数，则通过增大插值点数量N增加主应力轨迹线的密度，若当前连续纤维体积分数大于目标体积分数，则通过减小插值点数量N减小主应力轨迹线的密度，以此迭代计算，直至达到设定的连续纤维目标体积分数，实现零件内部增强的连续纤维体积分数可控。

8.根据权利要求2所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，所述的步骤3)中，根据零件设计域内各节点的主应力大小和方向生成一对正交曲线，则曲线上各点的切线方向为该节点的主应力方向，这对正交曲线则为主应力轨迹线。

9.根据权利要求1所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，该方法应用于基于FDM的连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印中。

10.根据权利要求4所述的一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，其特征在于，所述的步骤4)中，对于二维平面设计域，两种主应力轨迹线分别表示主拉应力轨迹线和主压应力轨迹线，分别将主拉应力轨迹线和主压应力轨迹线连接形成两条连续的路径，以最大程度上增加纤维打印过程中的连续性。