[发明专利]一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法有效

专利信息
申请号: 202010202099.9 申请日: 2020-03-20
公开(公告)号: CN111444559B 公开(公告)日: 2023-05-12
发明(设计)人: 史廷春;陈鸿宇 申请(专利权)人: 杭州电子科技大学
主分类号: G06F30/10 分类号: G06F30/10;G06F30/23;B33Y50/00;G06F113/10;G06F119/14;G06F119/08
代理公司: 浙江千克知识产权代理有限公司 33246 代理人: 周希良
地址: 310018 浙江省杭州市*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 ansys fdm 打印 过程 动态 仿真 方法
【权利要求书】:

1.一种基于ANSYS的FDM型3D打印过程的动态仿真方法,其特征在于包括以下步骤:

S1:建立有限元模型模块,为3D打印过程的动态仿真提供模型数据;

S2:建立丝材模态转换模块,用于3D打印过程的动态仿真中的模型材料动态变化;

S3:建立动态移动喷头模块为每一局部坐标系建立仿真喷头模型;

S4:建立生死单元模块,使有限元模型模块的单元拥有“杀死单元”、“激活单元”两种形态,用于模拟3D打印过程中丝材的熔融堆积;

S5:进行温度场及热应力传递模块参数化的动态仿真,通过仿真结果云图分析成型件质量问题,修改打印参数进行仿真确定较优打印方式;

S6:将3D打印机参数调整为较优的打印方式,使用FDM型3D打印动态仿真进行仿真验证;

所述丝材模态转换模块:通过ANSYS中材料参数的设定,分别将材料的热物性参数在不同温度条件下的值赋予打印模型;建立三维瞬态热传递微分方程作为热传递表达式对打印过程中接触的各个单元进行热传导和热量的迭代。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述有限元模型模块分为仿真条件设定和有限元模型,有限元模型包含成型件模型、网格划分模型、环境条件模型;

其中,仿真条件设定首先设定结果集中载荷步的步数、结果集中包含几何结构的信息、处理器个数;

成型件模型使用单元类型为solid70的实体长方体并依照长方体建立局部坐标系,局部坐标系包含喷头位置、喷头速度、生死单元和喷头移动方向;网格划分模型按照打印路径进行分割为数个打印路径的长方体,并将整体成型件模型划分为一定尺寸的正六面体单元;环境条件模型包含环境温度、加热底板温度、环境传热特性参数、加热底板传热特性参数。

3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述生死单元模块:在仿真开始前,将成型件模型各个单元的温度、质量、体积和导热系数进行缩小至原参数的1e-8倍大小,将这部分单元作为“杀死单元”;打印模型开始时按照成型件的打印路径依次一个个单元进行激活,恢复其参数为原参数进行传热和显热熔积累,这部分单元为“激活单元”,成型件在打印过程中所有的“杀死单元”转变为“激活单元”的过程模拟FDM型3D打印的丝材熔融堆积过程。

4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述动态移动喷头模块:使用高斯热源公式为的高斯热源为喷头热源模型,其中q为坐标点热量值,Qm为热源中心最大热量值,X为坐标点x轴坐标值,Y为坐标点y轴坐标值,Z为坐标点z轴坐标值,r为高斯热源半径值;

热源的热量分布在X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面都符合高斯曲线,若平面坐标系原点为热源中心,则原点处为高斯曲线中点且为热量最大点,平面坐标系两侧热量按高斯曲线下降,高低呈钟型,边缘低且中间高,喷头覆盖面为圆形;

对打印的过程设置时间跟踪,进行打印过程中热量的迭代运算;动态移动喷头的移动过程中坐标位置与“杀死单元”重合时,将“杀死单元”的各项参数恢复原值,转换为“激活单元”并施加热传导,将高斯热源型的动态移动喷头热量传递给当前单元模拟熔融丝材流出喷头在当前位置堆积,形成当前位置的成型件单元。

5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述温度场及热应力传递模块:在3D打印过程的动态仿真中,对各个时间点和单元的热物性参数进行记录,并按照单元接触面的导热系数进行热量传导和显热焓值的积累;

对边缘单元因接触空气环境施加空气热对流,按照热传导、热对流对成型件单元的影响进行热量传递和显热焓值的积累并记录;

对与动态移动喷头接触的单元,施加热传导进行喷头热源与“激活单元”的热传递,并按照单元接触面的导热系数进行热量传递和显热焓值的积累;

对内部单元因接触“激活单元”施加接触热传导,并按照单元接触面的导热系数进行热量传递和显热焓值的积累;

最后通过成型件各个单元的热物性参数和单元随时间的各参数记录值,计算得出热应力值。

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