[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

说明书

本发明涉及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，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。与现有技术相比，本发明具有更加符合应力分布、发挥纤维抗拉特性、提高结构效能、精确控制连续纤维体积分数、可推广应用等优点。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及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。

背景技术

随着增材制造从制造几何原型到制造工业应用零件的发展，人们对增材制造部件的关注重点不仅仅是几何精度，而且还进一步上升到打印部件的性能。纤维增强复合材料以其优异的比强度、比刚度以及耐腐蚀性等性能被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。然而，传统的连续纤维复合材料成型制造过程较复杂、制造成本较高以及难以成型几何结构复杂的零部件。3D打印技术颠覆了传统纤维增强复合材料制造方式，工艺过程不依赖于模具，大大降低了复合材料构件的制造成本，同时可以实现复杂材料、复杂结构及复杂形状零件的一体化快速制造。熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)是最典型的增材制造技术之一，基于FDM的连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印由于具有高度灵活性(可灵活挤出纯聚合物或连续纤维复合材料)和可控性(连续纤维铺设位置和方向可控)，近年来得到了迅速发展。然而，由于连续纤维力学性能上明显的各向异性(当连续纤维与载荷方向平行时复合材料的力学性能最优)，连续纤维的铺设位置和方向对零件力学性能有着重大影响。目前有关3D打印连续纤维增强路径的研究主要集中在直线、回字形、三角网格、蜂窝等均匀分布设计，而没有考虑零件的载荷条件，连续纤维的增强位置和方向不合理导致零件中纤维不能发挥其最优力学性能。

现有技术中，西北工业大学的冶文广在中国专利202011462145.5中公开了一种考虑强度的连续纤维增强3D打印路径规划方法，提出了一种结合待打印件在力学分析过程中的应力值及应力方向拟合成应力曲线，进而规划出连续纤维增强路径。然而应力值和应力方向拟合形成的应力曲线不具有明确的力学语义，根据该应力曲线规划的连续纤维方向无法保证与载荷方向平行，因此基于该方法规划的连续纤维增强路径并不是最优。

发明内容

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主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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，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。

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。

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。