基于主应力轨迹线的3d打印连续纤维增强路径规划方法
阅读说明：本技术 基于主应力轨迹线的3d打印连续纤维增强路径规划方法 (3D printing continuous fiber reinforced path planning method based on main stress trajectory line ) 是由 李帅帅 王玉 于颖 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法,该方法通过待打印零件设计域内各节点的主应力方向绘制主应力轨迹线,并根据零件内部的主应力轨迹线规划形成连续纤维增强路径,使得连续纤维的分布和走向最优,保证连续纤维始终处于轴向受力的状态,最大程度上提升连续纤维增强复合材料的力学性能。与现有技术相比,本发明具有更加符合应力分布、发挥纤维抗拉特性、提高结构效能、精确控制连续纤维体积分数、可推广应用等优点。(The invention relates to a method for planning a 3D printed continuous fiber reinforced path based on a main stress trajectory line, which draws the main stress trajectory line through the main stress direction of each node in a design domain of a part to be printed and plans to form a continuous fiber reinforced path according to the main stress trajectory line in the part, so that the distribution and the trend of continuous fibers are optimal, the continuous fibers are ensured to be always in an axial stress state, and the mechanical property of a continuous fiber reinforced composite material is improved to the maximum extent. Compared with the prior art, the invention has the advantages of better conformity to stress distribution, exertion of tensile property of the fiber, improvement of structural efficiency, accurate control of volume fraction of the continuous fiber, popularization and application and the like.)
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法。
背景技术
随着增材制造从制造几何原型到制造工业应用零件的发展，人们对增材制造部件的关注重点不仅仅是几何精度，而且还进一步上升到打印部件的性能。纤维增强复合材料以其优异的比强度、比刚度以及耐腐蚀性等性能被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。然而，传统的连续纤维复合材料成型制造过程较复杂、制造成本较高以及难以成型几何结构复杂的零部件。3D打印技术颠覆了传统纤维增强复合材料制造方式，工艺过程不依赖于模具，大大降低了复合材料构件的制造成本，同时可以实现复杂材料、复杂结构及复杂形状零件的一体化快速制造。熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)是最典型的增材制造技术之一，基于FDM的连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印由于具有高度灵活性(可灵活挤出纯聚合物或连续纤维复合材料)和可控性(连续纤维铺设位置和方向可控)，近年来得到了迅速发展。然而，由于连续纤维力学性能上明显的各向异性(当连续纤维与载荷方向平行时复合材料的力学性能最优)，连续纤维的铺设位置和方向对零件力学性能有着重大影响。目前有关3D打印连续纤维增强路径的研究主要集中在直线、回字形、三角网格、蜂窝等均匀分布设计，而没有考虑零件的载荷条件，连续纤维的增强位置和方向不合理导致零件中纤维不能发挥其最优力学性能。
现有技术中，西北工业大学的冶文广在中国专利202011462145.5中公开了一种考虑强度的连续纤维增强3D打印路径规划方法，提出了一种结合待打印件在力学分析过程中的应力值及应力方向拟合成应力曲线，进而规划出连续纤维增强路径。然而应力值和应力方向拟合形成的应力曲线不具有明确的力学语义，根据该应力曲线规划的连续纤维方向无法保证与载荷方向平行，因此基于该方法规划的连续纤维增强路径并不是最优。
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主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，该方法通过待打印零件设计域内各节点的主应力方向绘制主应力轨迹线，并根据零件内部的主应力轨迹线规划形成连续纤维增强路径，使得连续纤维的分布和走向最优，保证连续纤维始终处于轴向受力的状态，最大程度上提升连续纤维增强复合材料的力学性能。
该方法包括以下步骤：
1)确定待打印零件需要添加的连续纤维目标体积分数VFref，并设定初始插值点数量N0；
2)根据零件实际工况下的载荷和约束条件建立有限元分析模型，并根据有限元分析结果提取设计域内各节点的主应力方向信息；
3)根据设计域内的插值点数量N和所提取的节点的主应力方向信息绘制生成主应力轨迹线；
4)根据生成绘制好的满足目标体积分数的主应力轨迹线，分别将最大主应力轨迹线和最小主应力轨迹线连接成一条或数条连续的路径，即连续纤维增强路径，以最大程度上增加纤维打印过程中的连续性，并根据连续纤维增强路径进行3D打印。
所述的步骤1)中，根据待打印零件的轻量化、力学性能和结构效率要求确定所需要添加的连续纤维目标体积分数。
所述的步骤2)中，对于二维平面设计域，则分别提取每个节点在两个主应力方向X和Y方向的分量σx和σY，对于三维设计域，则分别提取每个节点在三个主应力方向X、Y和Z方向的分量σx、σY和σZ。
所述的步骤3)中，通过调节插值点数量N使连续纤维体积分数VF达到连续纤维目标体积分数VFref。
所述的步骤3)中，连续纤维的体积分数VF的计算式为：
VF＝VCF/V＝πr2∑Li/V
其中，VCF为待打印零件内部所添加的所有连续纤维的体积，V为待打印零件的总体积，r为连续纤维的截面半径，∑Li表示与插值点数量N相关的连续纤维总长度。
所述的步骤3)中，若当前连续纤维体积分数小于目标体积分数，则通过增大插值点数量N增加主应力轨迹线的密度，若当前连续纤维体积分数大于目标体积分数，则通过减小插值点数量N减小主应力轨迹线的密度，以此迭代计算，直至达到设定的连续纤维目标体积分数，实现零件内部增强的连续纤维体积分数可控。
所述的步骤3)中，根据零件设计域内各节点的主应力大小和方向生成一对正交曲线，则曲线上各点的切线方向为该节点的主应力方向，这对正交曲线则为主应力轨迹线。
该方法应用于基于FDM的连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印中。
所述的步骤4)中，对于二维平面设计域，两种主应力轨迹线分别表示主拉应力轨迹线和主压应力轨迹线，分别将主拉应力轨迹线和主压应力轨迹线连接形成两条连续的路径，以最大程度上增加纤维打印过程中的连续性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明提出的基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法考虑了零件实际工况下的载荷，相比于现有均匀周期性的增强路径，更加符合应力分布，更能发挥纤维抗拉特性，进而提高结构效能。
二、本发明中提出的连续纤维体积分数计算方法可以根据零件的设计需求，通过调节主应力轨迹线的疏密进而精确地控制所要添加的连续纤维体积分数，进而实现连续纤维复合材料零件的性能定制。
三、本发明提出的3D打印连续纤维增强路径规划方法能够拓展到其他物理场的应用中，如利用连续碳纤维的导电传热特性，通过规划连续碳纤维的路径可优化结构件的电磁屏蔽和温度梯度分布等性能。
附图说明
图1为本发明的总体技术路线图。
图2为三点弯曲试样的受力工况。
图3为三点弯曲试样的有限元应力云图。
图4为插值点数量N＝500时的三点弯曲试样的主应力轨迹线。
图5为插值点数量N＝200时的三点弯曲试样的主应力轨迹线。
图6为三点弯曲试样的两条连续的主应力轨迹线。
图7为基于主应力轨迹线的三点弯曲试样连续纤维增强路径规划。
图8为基于主应力轨迹线的连续碳纤维3D打印三点弯曲试样。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提出一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，使连续纤维的排布位置和走向与零件实际工况载荷下一对正交的主应力轨迹线保持映射，能够保证连续纤维始终处于轴向受力的状态，以最大程度上提升连续纤维增强复合材料的力学性能，总体步骤如下：
1)根据零件的轻量化、力学性能和结构效率等要求设定零件所需要添加的连续纤维目标体积分数，并通过零件设计域内的插值点数量调节主应力轨迹线的疏密，进而实现连续纤维的体积分数可控；
2)根据零件实际工况下的载荷和约束条件进行有限元分析，并根据分析结果提取节点的主应力方向信息；
3)根据零件设计域内的插值点数量和所提取的节点的主应力方向信息绘制生成主应力轨迹线，并进一步将主应力轨迹线连续化处理；
4)根据处理好的连续主应力轨迹线完成连续纤维增强路径规划设计。
实施例
类似于描述磁场分布的磁场线，实际工况载荷下的零件内部同样会形成力流线，一定程度上可以反映零件结构中力的传递路径。对于一个平面设计域，已知载荷和约束条件，就可以得到设计域内任意点的主应力大小和方向，在这个平面内生成一对正交曲线，使得该曲线上任意点的切线方向是该点的主应力方向，这对力流线即为主应力轨迹线。由于主应力轨迹线是由节点的主应力方向绘制生成，因此沿主应力轨迹线布置的结构上的任意单元截面只受轴向力，而没有剪切力。此外，主应力轨迹线的分布与载荷的大小、零件的材料类型无关，主要受载荷和约束影响。本发明提出一种基于主应力轨迹线的3D打印连续纤维增强路径规划方法，通过节点主应力方向绘制出主应力轨迹线，进而根据零件内部主应力轨迹线规划连续纤维增强路径，使连续纤维的分布和走向最优，保证连续纤维始终处于轴向受力的状态，以最大程度上提升连续纤维增强复合材料的力学性能，总体方案如图1所示。
本发明的具体步骤介绍如下：
(1)根据零件的轻量化、力学性能和结构效率等要求设定零件所需要添加的连续纤维目标体积分数VFref，进一步的根据连续纤维目标体积分数VFref在零件设计域内设置数量为N的插值点，通过插值点数量N调节主应力轨迹线的疏密，进而调节连续纤维的体积分数VF；
(2)根据零件实际工况下的载荷和约束条件建立有限元分析模型，根据有限元分析结果提取节点的主应力方向信息，具体而言，对于二维平面设计域提取分别两个主应力方向的X和Y方向的分量σx和σY，而对于三维设计域则需要分别提取三个主应力方向的X、Y和Z方向的分量σx、σY和σZ；
(3)根据零件设计域内的插值点数量N和所提取的节点的主应力方向信息绘制生成主应力轨迹线。进一步的，计算连续纤维的体积分数VF，具体的：VF＝VCF/V＝πr2∑Li/V，其中VCF表示零件内部所添加的所有连续纤维的体积，V表示零件体积，r表示连续纤维的截面半径，∑Li表示连续纤维的总长度。如果体积分数小于目标值则需要通过增大插值点数量N增加主应力轨迹线的密度，如果体积分数大于目标值则需要通过减小插值点数量N减小主应力轨迹线的密度，如此迭代计算，直至达到设定的连续纤维目标体积分数，实现零件内部增强的连续纤维体积分数可控；
(4)基于生成绘制好的满足目标体积分数的主应力轨迹线，分别将最大主应力轨迹线和最小主应力轨迹线连成一条或数条连续的路径，以最大程度上增加纤维打印过程中的连续性，最后基于已处理好的连续主应力轨迹线进行连续纤维增强路径规划设计。
本实施例以一个三点弯曲试样为例，三点弯曲的载荷工况如图2所示。基于主应力轨迹线对该三点弯曲试样进行连续碳纤维增强路径规划设计以提高试样的强度和刚度等力学性能。目标的连续碳纤维体积分数设定为10％。
1)根据该三点弯曲试样的力学性能设计要求，设定添加的连续碳纤维目标体积分数VFref＝10％。进一步的在该三点弯曲试样平面设计域内设置插值点初始数量N0＝500，后续将在此插值点数量N0的基础上通过增减N值调节主应力轨迹线的疏密，进而调节连续纤维的体积分数VF；
2)根据零件实际工况下的载荷和约束条件建立有限元分析模型并分析，有限元分析的应力云图如图3所示。进一步的，根据有限元分析结果分别提取该平面设计域内所有节点的两个主应力方向的X和Y方向的分量σx和σY；
3)根据三点弯曲试样的插值点数量N＝500和所提取的节点的两个主应力方向分别绘制生成主应力轨迹线，在此设计域中的两种主应力轨迹线可分别表示主拉应力轨迹线和主压应力轨迹线，如图4所示。
进一步的，根据连续碳纤维的体积分数计算公式：VF＝VCF/V＝πr2∑Li/V，其中VCF表示零件内部所添加的所有连续碳纤维的体积，V表示零件体积，r表示连续碳纤维的截面半径，∑Li表示连续碳纤维的总长度。在本实施例中，计算出该三点弯曲试样的连续碳纤维的体积分数大于目标值10％，因此需要减小插值点数量N以减小主应力轨迹线的密度，最终当插值点数量N＝200时，三点弯曲试样中的连续碳纤维体积分数达到设定目标10％，绘制生成的主应力轨迹线如图5所示。
4)基于生成绘制好的满足目标体积分数的主应力轨迹线，分别将设计域内的主拉应力轨迹线和主压应力轨迹线连成两条连续的路径，以最大程度上增加纤维打印过程中的连续性，如图6所示。
进一步的，基于已处理好的连续主应力轨迹线进行连续碳纤维增强路径规划设计，连续碳纤维和基体聚合物材料分别层与层叠加交替打印，三点弯曲试样的连续纤维增强路径如图7所示。基于双喷头连续碳纤维复合材料3D打印机，将规划的连续纤维增强路径生成G代码进行3D打印，样件如图8所示，经过力学试验对比，相比传统均匀的连续纤维增强路径，基于主应力轨迹线的连续纤维增强路径试样的力学性能明显提高。
综上，本发明提出的3D打印连续纤维增强路径规划方法实现了零件实际工况载荷下的连续纤维增强路径最优设计，极大程度上提高了连续纤维的增强作用，即使相同几何零件在不同工况下其内部的连续纤维增强路径也不同。同时，通过调节主应力轨迹线疏密实现了连续纤维体积分数可控，大大提升了纤维复合材料零件的结构效率。
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