【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于先進(jìn)增材制造，更具體的涉及一種高效預(yù)測(cè)增材制造殘余應(yīng)力與變形的方法，包含基于分區(qū)思想的固有應(yīng)變分布聚類方法及加載方法。
技術(shù)介紹
1、增材制造(additivemanufacturing，am)，通常被稱為3d打印，是一種基于逐層添加材料來制造物體的技術(shù)。這是一種革新性的制造技術(shù)，增材制造通過提供設(shè)計(jì)自由度、提高材料利用率、靈活生產(chǎn)、減少供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)、減少組裝步驟和輕量化設(shè)計(jì)，極大地改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)方式。因其獨(dú)特的成型特性在原型制造、消費(fèi)電子、生物醫(yī)療、汽車、航空航天等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。ge航空利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴，相比傳統(tǒng)制造方式，重量減輕了25％，且零件強(qiáng)度和性能得到提升。
2、然而，增材制造也面臨著一些挑戰(zhàn)，如產(chǎn)品一致性和成型精度和質(zhì)量控制等問題。每一層的堆積過程中由于打印參數(shù)不一致、粉末分布不均勻、不同材料在加熱和冷卻過程中表現(xiàn)出的熱膨脹系數(shù)和冷卻收縮率不同，導(dǎo)致不均勻熱應(yīng)力分布進(jìn)而造成一系列成型質(zhì)量問題。這些應(yīng)力分布不均勻和成型質(zhì)量問題會(huì)導(dǎo)致零件尺寸精度不符合設(shè)計(jì)要求，降低零件的機(jī)械性能如疲勞強(qiáng)度和韌性，增加使用過程中的失效風(fēng)險(xiǎn)。
3、由于上述問題阻礙增材制造的高速持續(xù)發(fā)展，研究增材過程中熱力行為演化和機(jī)理對(duì)提高最終產(chǎn)品的精度和質(zhì)量具有重要意義。但由于先進(jìn)增材技術(shù)材料、設(shè)備、工藝等成本昂貴，實(shí)驗(yàn)研究并不廣泛。而通過仿真手段能夠在虛擬環(huán)境中模擬制造過程，預(yù)測(cè)零件在制造過程中的變形和殘余應(yīng)力，為制造工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。
4、針對(duì)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的目前的固有應(yīng)變分析方法缺乏考慮固有應(yīng)變的真實(shí)分布情況，采用各點(diǎn)平均后的固有應(yīng)變進(jìn)行全模型加載，未能有良好的精度。因此，為了高效預(yù)測(cè)增材制造殘余應(yīng)力及變形，需對(duì)固有應(yīng)變計(jì)算流程進(jìn)行改進(jìn)以考慮真實(shí)的固有應(yīng)變分布情況提高計(jì)算精度以及固有應(yīng)變加載模型精度較低的缺點(diǎn)問題；本專利技術(shù)公開了一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，包括以下步驟：一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，包括以下步驟:
2、s1:設(shè)計(jì)待打印結(jié)構(gòu)的小尺度熱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型，提取特定工藝參數(shù)下小尺度熱結(jié)構(gòu)模型沿掃描路徑方向各節(jié)點(diǎn)的固有應(yīng)變值并確定其分布規(guī)律；
3、s2:對(duì)于提取的沿掃描路徑非均勻分布的固有應(yīng)變值，進(jìn)行聚類分區(qū)處理，得到特定工藝參數(shù)下小尺度熱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型組成部件的不同固有應(yīng)變類的集合，即尺度模型固有應(yīng)變聚類分析結(jié)果；
4、s3:以小尺度模型固有應(yīng)變聚類分析結(jié)果作為依據(jù)對(duì)待打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)；對(duì)待打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分并獲取各單元質(zhì)心坐標(biāo)，根據(jù)單元質(zhì)心坐標(biāo)判斷單元所屬分區(qū)；
5、s4:按照待打印結(jié)構(gòu)分區(qū)結(jié)果改變待打印結(jié)構(gòu)各特征區(qū)域單元的熱膨脹系數(shù)，以完成不同固有應(yīng)變類的賦予；
6、s5:按照實(shí)際的逐層打印策略完成逐層分區(qū)固有應(yīng)變法的計(jì)算，獲得待打印結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)待打印結(jié)構(gòu)殘余變形及應(yīng)力的預(yù)測(cè)。
7、進(jìn)一步地：所述小尺度熱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型為一個(gè)帶基板的三層沉積層有限元模型。
8、進(jìn)一步地：所述提取特定工藝參數(shù)下小尺度熱結(jié)構(gòu)模型沿掃描路徑方向各節(jié)點(diǎn)的固有應(yīng)變值通過逐單元的瞬態(tài)熱力耦合計(jì)算獲取模型沿掃描方向各節(jié)點(diǎn)的固有應(yīng)變值獲得。
9、進(jìn)一步地：所述聚類分區(qū)采用k-means方法進(jìn)行聚類分析，具體過程如下：
10、以固有應(yīng)變數(shù)值大小為分類依據(jù)，選取合適的類中心數(shù)，對(duì)提取的沿掃描方向各點(diǎn)固有應(yīng)變進(jìn)行分類，得到不同特征區(qū)域固有應(yīng)變值，分類結(jié)果為，掃描方向路徑兩側(cè)6mm內(nèi)區(qū)域各單元固有應(yīng)變類為輪廓固有應(yīng)變；掃描方向路徑中間區(qū)域各單元固有應(yīng)變類為中心固有應(yīng)變。
11、進(jìn)一步地：所述以小尺度模型固有應(yīng)變聚類分析結(jié)果作為依據(jù)對(duì)待打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)的過程如下：
12、首先對(duì)待打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑笥?jì)算單元質(zhì)心坐標(biāo)與待結(jié)構(gòu)邊界距離，若距離≤6mm，則屬于輪廓單元，否則為中心單元。
13、進(jìn)一步地：所述按照待打印結(jié)構(gòu)分區(qū)結(jié)果改變待打印結(jié)構(gòu)各特征區(qū)域單元的熱膨脹系數(shù)，以完成不同固有應(yīng)變類的賦予過程如下：
14、將不同的固有應(yīng)變類等效為特定工藝參數(shù)下的材料固有屬性，以改變材料熱膨脹系數(shù)的形式引入固有應(yīng)變。
15、進(jìn)一步地：所述實(shí)按照實(shí)際的逐層打印策略完成逐層分區(qū)固有應(yīng)變法的計(jì)算，獲得待打印結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)待打印結(jié)構(gòu)殘余變形及應(yīng)力的預(yù)測(cè)過程如下：
16、首先在完成固有應(yīng)變的賦予后，滅活待打印結(jié)構(gòu)所有單元，以模擬實(shí)際增材制造開始時(shí)材料不存在的狀態(tài)；之后逐層激活待打印結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)行一次準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析，直至打印過程結(jié)束，獲得待打印結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力及變形場(chǎng)分布。
17、本專利技術(shù)基于一種分區(qū)思想對(duì)固有應(yīng)變的加載做出改進(jìn)，其考慮增材制造結(jié)構(gòu)件真實(shí)固有應(yīng)變分布，將沿小尺度標(biāo)準(zhǔn)模型中激光掃描路徑上非均勻分布的固有應(yīng)變，按照數(shù)值大小進(jìn)行聚類分區(qū)，獲得掃描路徑上特征區(qū)域的固有應(yīng)變類集合；之后依據(jù)小尺度特征區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)待打印結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分區(qū)，并對(duì)分區(qū)后的特征區(qū)域單元賦予對(duì)應(yīng)的固有應(yīng)變。在不顯著增加計(jì)算成本的情況下提高了固有應(yīng)變模型的預(yù)測(cè)精度。因其為基于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的聚類分區(qū)思想遷移應(yīng)用的方法，因此被稱為一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法。
18、本專利技術(shù)的有益效果是：
19、(1)本專利技術(shù)中所述的設(shè)計(jì)一種小尺度熱結(jié)構(gòu)模型用于觀察固有應(yīng)變分布特征并提取數(shù)據(jù)應(yīng)用到待打印結(jié)構(gòu)上，其考慮了一種更真實(shí)的固有應(yīng)變分布情況。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型為了簡(jiǎn)化計(jì)算流程和減小計(jì)算成本通常簡(jiǎn)單的假設(shè)小尺度熱結(jié)構(gòu)模型各節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷相同的熱歷史，進(jìn)而認(rèn)為固有應(yīng)變?yōu)榫鶆騿我坏墓潭ㄖ怠１M管這種假設(shè)實(shí)施方法簡(jiǎn)單卻大大降低了計(jì)算的精度，而本專利技術(shù)方法中對(duì)此做出改進(jìn)提高了增材制造殘余應(yīng)力及變形預(yù)測(cè)精度。
20、(2)本專利技術(shù)所述的對(duì)非均勻性的固有應(yīng)變數(shù)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：包括以下步驟:
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述小尺度熱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型為一個(gè)帶基板的三層沉積層有限元模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述提取特定工藝參數(shù)下小尺度熱結(jié)構(gòu)模型沿掃描路徑方向各節(jié)點(diǎn)的固有應(yīng)變值通過逐單元的瞬態(tài)熱力耦合計(jì)算獲取模型沿掃描方向各節(jié)點(diǎn)的固有應(yīng)變值獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述聚類分區(qū)采用采用K-means方法進(jìn)行聚類分析，具體過程如下：
5.對(duì)于權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述以小尺度模型固有應(yīng)變聚類分析結(jié)果作為依據(jù)對(duì)待打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)的過程如下：
6.對(duì)于權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述按照待打印結(jié)構(gòu)分區(qū)結(jié)果改變待打印結(jié)構(gòu)各特征區(qū)域單元的熱膨脹系數(shù)，以完成不同固有應(yīng)變類的賦予過程如下：
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...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：包括以下步驟:
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述小尺度熱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型為一個(gè)帶基板的三層沉積層有限元模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述提取特定工藝參數(shù)下小尺度熱結(jié)構(gòu)模型沿掃描路徑方向各節(jié)點(diǎn)的固有應(yīng)變值通過逐單元的瞬態(tài)熱力耦合計(jì)算獲取模型沿掃描方向各節(jié)點(diǎn)的固有應(yīng)變值獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種基于分區(qū)思想的改進(jìn)固有應(yīng)變加載方法，其特征在于：所述聚類分區(qū)采用采用k-means方法進(jìn)行聚類分析，具體...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：閻琨，劉怡，閻軍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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