[发明专利]连续纤维3D打印过程动态模拟及打印件翘曲变形的预测方法

权利要求书

1.一种连续纤维3D打印过程动态模拟及打印件翘曲变形的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据实际打印件几何数据建立对应的有限元仿真模型，预先通过热膨胀仪测得复合材料的热膨胀系数，设置打印平台和复合材料的材料参数，并对仿真模型进行网格划分；

所述复合材料为纤维增强树脂基复合材料，为各向异性材料；

所述网格划分包括：先将打印件模型按打印层分层，再将每层分为K个热分析单元，热分析单元的高、宽分别为打印件的层厚、线宽，热分析单元的长根据计算精度设置；K为正整数；

所述设置复合材料的材料参数时，确定复合材料的纤维方向；

S2：使用生死单元技术模拟连续纤维3D打印过程中的材料堆积，并得到对应的温度场分布及热分析结果文件；

其中，在模拟前，规划打印路径，为每个热分析单元设置局部坐标系，使复合材料纤维方向与轨迹方向一致；在模拟时，首先使用生死单元技术杀死所有打印件模型中的热分析单元，再按打印路径依次为热分析单元赋予材料属性，激活热分析单元；在激活的热分析单元上，按照设定的载荷加载方式及载荷步对温度场进行求解，得到对应的温度场分布及热分析结果文件；其中涉及三种温度工艺参数，包括打印温度、环境温度和打印平台温度；

S3：在瞬态结构模块中加载热分析结果文件，得到连续纤维3D打印过程中打印件的应力分布及翘曲变形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤S1中，使用热膨胀仪测得所使用的复合材料在三个互相垂直方向上的随温度实时变化的热膨胀系数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤S1中，复合材料的材料参数包括密度、熔点、比热容、热膨胀系数、弹性常数及热导率，其中热膨胀系数、弹性常数及热导率设置三个互相垂直方向的数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤S2中，根据打印路径对热分析单元进行排序编号，包括：对每层热分析单元，首先按行顺序进行编号；设每行经过X个热分析单元后需要进行编号排序反转，则判断当前热分析单元编号是X的奇数倍还是偶数倍，当为奇数倍时反转后续X个热分析单元的排序，否则不进行反转；遍历完所有热分析单元，获得按打印路径的热分析单元的排序编号；X为正整数。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述的步骤S2中，激活热分析单元的时间间隔与实际打印速度的乘积等于热分析单元的长度。

6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述的步骤S2中，在激活的热分析单元上，施加初始条件和边界条件，按照设定的载荷加载方式及载荷步对温度场进行求解；其中，初始条件包括初始设置的温度参数，边界条件包括打印过程中已成型材料之间的热传导、已成型材料与周围环境的热对流以及热辐射；激活每个热分析单元时逐个赋予对流换热和温度载荷，当激活第N个热分析单元时，对该单元施加等于打印温度的初始温度载荷，并删除第N-1个单元的温度载荷；N为正整数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，在瞬态结构模块中，将热分析单元转换为结构单元，加载热分析结果文件，为各个节点加载相应温度载荷；为有限元模型添加位移约束的边界条件，根据对应温度载荷计算相应的应力场分布及翘曲变形。

8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，根据仿真计算数据建立打印温度、环境温度、打印平台温度与打印件翘曲变形量之间的映射关系，通过选取不同温度数值进行仿真，计算得到三种温度工艺参数组合对打印件翘曲行为的影响规律，用于指导实际连续纤维3D打印。