[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

说明书

本发明提供了一种连续纤维3D打印过程动态模拟及打印件翘曲变形的预测方法。本发明方法根据实际打印件几何数据建立对应有限元仿真模型；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；在瞬态结构模块中加载热分析结果文件，得到连续纤维3D打印过程中零件的应力分布及翘曲变形；通过预测结果优化打印工艺方案。采用本发明方法，能够在生产制造前得到最佳的工艺参数优化方案，从而尽可能避免翘曲变形等问题的出现，并有效提高打印件的力学性能。

技术领域

本发明涉及连续纤维3D打印技术成型过程中的热力耦合领域及ANSYS软件的参数化仿真领域，具体涉及一种连续纤维3D打印过程动态模拟及打印件翘曲变形的预测方法。

背景技术

连续纤维3D打印技术作为一种新兴快速制造技术，去除了传统复材成型过程中对模具的依赖，降低了生产成本，简化了成型工艺。同时，该技术以其灵活性著称，能够生产具有复杂结构的零件。连续纤维3D打印技术将增材制造技术和纤维增强树脂基复合材料相结合，充分发挥了3D打印技术的制造优势和复合材料的性能优势，明显提高了打印制件的力学性能，使得复杂结构复合材料制件的一体化快速制造成为可能。

目前连续纤维3D打印件的力学性能还达不到传统复材成型工艺的水平，其主要原因是针对连续纤维3D打印的工艺机理探索不够清晰。近年来已经有许多学者为提高打印性能而进行了有关工艺参数优化等方面的研究，取得了很有价值的成果。但是近年来的研究主要集中在实验领域，通过大量实验研究某几个工艺参数的大致影响规律，难以深入探究影响打印性能的工艺参数组合。因此，针对连续纤维3D打印过程的动态仿真模拟成为了迫切需求。通过仿真手段能够详细观察打印过程中温度场、应力场的分布变化，深入研究打印机理。同时，通过仿真手段能够代替大量重复性的基础实验，加快数据获取速度并降低获取难度，根据仿真数据确定的最佳工艺参数组合也能够为实际打印提供指导。

在连续纤维3D打印过程中，熔融树脂从喷嘴中挤出并随着打印头的运动而层层堆积，并最终冷却固化。在整个成型过程中材料会经历多次的加热冷却循环，这导致了成型过程中各处温度场和应力场分布不均，从而引起了翘曲变形、层间脱粘等失效问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种针对连续纤维3D打印过程的动态模拟方法，并基于此方法开发了一种预测连续纤维3D打印件翘曲变形的预测方法。由于复合材料的热膨胀系数较难获得，本发明通过热膨胀仪测得连续纤维增强热塑性复合材料打印件的热膨胀系数，并将其作为材料参数用于打印过程的动态仿真计算当中。所提出的连续纤维3D打印过程动态模拟方法，能够在仿真连续打印时保证材料主方向始终与打印轨迹方向重合。采用本发明方法能够表征当前工艺参数下打印过程中的温度场、应力场分布情况，并基于温度场、应力场的仿真数据模拟打印件的翘曲变形，通过针对不同工艺参数组合的仿真结果研究对比，实现打印件翘曲变形优化。

为实现上述技术目的，本发明提供一种连续纤维3D打印过程动态模拟及打印件翘曲变形的预测方法，包括以下步骤：

S1：根据实际打印件几何数据建立对应有限元仿真模型，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；在设置复合材料的材料参数时，确定复合材料的纤维方向；

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；