[发明专利]一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法

说明书

本发明涉及一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，包括以下步骤：1)根据有限元分析结果绘制零件的力流场可视化图形；2)根据力流场分别确定力流线以及主区域F_m和非主区域F_r；3)对零件装夹区域A以及载荷施加区域B进行网格填充，并对主区域力流线进行修剪以及合并曲线，确定打印顺序形成最终的力流层Flayer，并输出单层打印路径；4)将不同主载荷方向的力流层Flayer或混合其他填充线型层进行层间排列，并按层叠顺序逐一输出打印路径。与现有技术相比，本发明具有平衡精确性和经济性、能够生成各种网格或正交结构、保证在主载荷方向上保持恒定的载荷传递等优点。

技术领域

本发明涉及3D打印技术，尤其是涉及一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法。

背景技术

增材制造又称3D打印技术，它的出现让制造具有更高复杂度和定制化的零件成为可能。3D打印不同于传统的铸造和切削加工方式，其制造过程是材料和结构同时生成的，其材料密度不一定是密实填充。在设计好零件外观结构尺寸以及不改变基材料特性的基础上，利用单元晶格或孔隙薄壁等结构代替密实填充可以实现零件的轻量化设计并提升强度性能，这种全新的零件设计研发方法对增材制造业有着非常深远的影响，有助于加工具有一定强度和韧性损伤容限的零件，同时还可以改善零件对外部载荷的响应性能。

零件整体结构的性能与内部填充的单元晶格或孔隙的形状、尺寸、排列分布密切相关。目前采用3D打印方法所设计的零件内部填充结构多采用线性网格或均匀蜂窝，或者基于米歇尔桁架或主应力线等拓扑结构，但是这些结构没有考虑主载荷方向，容易出现由于孔缺陷等问题引起的局部薄弱，大大降低了零件整体的强度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于力流管载荷路径的3D打印填充设计方法，包括以下步骤：

1)根据有限元分析结果绘制零件的力流场可视化图形；

2)根据力流场分别确定力流线以及主区域F_m和非主区域F_r；

3)对零件装夹区域A以及载荷施加区域B进行网格填充，并对主区域力流线进行修剪以及合并曲线，确定打印顺序形成最终的力流层Flayer，并输出单层打印路径；

4)将不同主载荷方向的力流层Flayer或混合其他填充线型层进行层间排列，并按层叠顺序逐一输出打印路径。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)设定零件的主受力方向并按照主受力方向与直角坐标系方向的关系构建计算机三维模型；

12)划分零件装夹区域A以及载荷施加区域B，确定约束边界Lb以及载荷边界或载荷点Lf；

13)设定试验参数进行有限元分析，得到有限元分析各节点的坐标(x,y)以及各节点对应的正应力σ_x和切应力τ_xy；

14)获取各节点的力流场方向，并绘制力流场可视化图形。

所述的步骤14)中，各节点的力流场方向通过公式tanθ＝τ_xy/σ_x计算获得，其中，θ为各节点的矢量方向角。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)设定填充质量密度以及挤出头口径d，并根据施加的载荷类型确定起始点K；