[发明专利]一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法

说明书

本发明涉及一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法，通过给定管道的设计参数，并将管道离散化处理为3D打印的悬垂结构模型，通过有限元数值分析的方法模拟不同工艺参数下的3D打印过程，针对不同悬垂角度进行残余应力分析，得到不同方向上的引起变形的残余应力数据，进而建立变形的数学模型。由于在3D打印过程中难免存在翘曲变形，根据3D打印结构的材料力学性能，计算悬垂结构中各个节点沿各个方向上预计产生的变形，进而利用变形的累加效应，得到由于翘曲带来的总变形，从而利用翘曲变形产生的总变形为形状补偿工作带来数据上的基础，最终完成基于选区激光熔化技术的3D打印管道的形状补偿结构设计工作。

技术领域

本发明涉及3D打印结构补偿设计技术领域，尤其涉及一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法。

背景技术

增材制造技术(俗称3D打印技术)是一种具有50余年发展历程的制造技术，目前国内国外都在大力发展该项技术，国家NSFC机构、美国NSF协会认为增材制造技术是一项机械加工的重大创新变革。与传统的机械加工方法和铸造与锻压等塑性成形方法不同的是，增材制造技术具有设计自由度高、成形精度高、设备操作容易等优点。激光选区熔化技术(SLM)是基于高能量激光快速熔化金属粉末再快速冷却凝固的3D打印技术，可以获得具有细小组织、致密度高的复杂形状零件。

目前，针对无支撑的管道成形工艺，在SLM过程中容易使管道的上半部分由于无底部支撑形成悬垂结构产生翘曲变形，从而影响管道内侧上表面的成形精度，同时会引起管道内表面的粗糙度提高等问题，使管道内液体的流动带来能量损失。

虽然通过增材制造的加工方式可以提升零件的成形精度，但是对于3D打印管道的过程中依然会存在圆度误差，而仅通过优化工艺参数依然会存在挂渣、粘粉等缺陷，Kamath等学者建立变形预测和补偿模型，可以较好的提高管道的成形质量，但是模型中未考虑工艺参数等因素。本发明基于不同工艺参数和不同悬垂结构位置残余应力的分布结果，建立基于应力修正的SLM成形管道变形预测和补偿模型。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法，能够解决3D打印管道和悬垂结构零件的缺陷预测和补偿设计问题，可有效提高3D打印管道的成形质量。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种基于残余应力修正的3D打印管道补偿设计方法，具体包括以下步骤：

S1、确定待打印管道的内径、壁厚、管道长度等设计参数，利用三维绘图软件绘制，并保存为SLM打印机可识别的文件；

S2、将管道的上半部分按照厚度为h进行切片分层，得到待打印管道的悬垂结构模型；

S3、针对步骤S2得到的悬垂结构模型，建立不同工艺参数下和不同悬垂结构区域的有限元分析模型，对管道悬垂结构中残余应力进行分析；

S4、根据步骤S3得到的残余应力分析结果，提取不同工艺参数和不同悬垂角度区域的X向残余应力和Z向残余应力；

S5、针对步骤S2得到的悬垂结构模型，为了确定随着打印层数的增加，其成形高度与残余应力之间的关系，针对不同悬垂角度随着打印层数增加的模型进行分析；

S6、根据步骤S5中不同悬垂角度的X向和Z向的残余应力随打印层数增加的规律，基于不同悬垂结构区域残余应力情况，拟合得到X向和Z向残余应力随成形高度变化的表达式；

S7、根据步骤S3至步骤S6的残余应力计算结果，建立变形管道悬垂结构的数学分析模型，并对管道模型进行简化。

S8、对步骤S7中的管道悬垂结构数学分析模型进行结构离散；

S9、假设节点i的X方向和Y方向的位移分别为Δx_i和Δy_i，并且假设模型每一层成形后都处于平衡状态；