子模型法在SLM金屬3D打印機(jī)強(qiáng)度仿真分析中的應(yīng)用

魔猴君  知識(shí)堂   2029天前

SLM選區(qū)熔化金屬3D打印機(jī)型，整機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由成型框架、成型腔、振鏡系統(tǒng)、送粉機(jī)構(gòu)、鋪粉機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等部分組成。在設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)階段，需要進(jìn)行一系列的仿真分析校核，包括剛度、強(qiáng)度、散熱以及流體等內(nèi)容。

圖片：選區(qū)熔化金屬3D打印過程

本期，仿真專家通過對(duì)SLM選區(qū)熔化金屬3D打印機(jī)型應(yīng)力較大部位進(jìn)行子模型分析，從而確定在極限工況下設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。通過利用子模型分析方法，對(duì)某型號(hào)的SLM選區(qū)熔化金屬3D打印機(jī)在極限工況下的靜強(qiáng)度仿真應(yīng)力較大的區(qū)域，選取一個(gè)典型部位進(jìn)行子模型分析，從而更準(zhǔn)確的計(jì)算這該部位的應(yīng)力分布情況。

子模型分析方法

針對(duì)機(jī)構(gòu)的剛度強(qiáng)度等仿真分析，除了要滿足常規(guī)的工作狀態(tài)下要求外，還需要進(jìn)行一些極限工況下的校核仿真分析。比如在極限運(yùn)輸工況下，可能會(huì)發(fā)生極限傾斜工況（傾斜30°工況），在對(duì)整機(jī)在極限工況下的靜強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，可能會(huì)出現(xiàn)一些部件超過了材料的屈服強(qiáng)度。針對(duì)這些超過了材料屈服強(qiáng)度的部件來說，其最大應(yīng)力有可能并不真實(shí)，因?yàn)樵谡麢C(jī)極限工況強(qiáng)度校核分析時(shí)大多都是采用了線性靜力分析，沒有考慮材料的塑性增強(qiáng)階段。

針對(duì)這種情況，為了獲得更精確的仿真結(jié)果，同時(shí)考慮材料的塑性增強(qiáng)，需要對(duì)其應(yīng)力較大部位進(jìn)行子模型分析。子模型分析方法又稱為切割邊界位移法或特定邊界位移法。切割邊界就是子模型從整個(gè)較粗糙的整體模型分割開的邊界。從整體模型計(jì)算所得的切割邊界的計(jì)算位移值即為子模型的邊界條件。

確定子模型幾何結(jié)構(gòu)

某型號(hào)的SLM選區(qū)熔化金屬3D打印機(jī)的整機(jī)幾何結(jié)構(gòu)及截取的局部子模型結(jié)構(gòu)，可參見圖1所示。

圖1：SLM選區(qū)熔化金屬3D打印機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和子模型局部結(jié)構(gòu)，來源安世亞太

在整機(jī)極限工況下進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)該處的局部應(yīng)力較大，超過了材料的屈服強(qiáng)度。通過在整機(jī)模型中截取應(yīng)力較大的局部結(jié)構(gòu)，來進(jìn)行子模型分析。

子模型的仿真模型建立

對(duì)SLM選區(qū)熔化金屬3D打印機(jī)選取的子模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，相比于整機(jī)模型的單元大小要小，以3mm對(duì)子模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的模型見圖2所示。

圖2：SLM選區(qū)熔化金屬3D打印平臺(tái)密封結(jié)構(gòu)及密封圈局部網(wǎng)格模型，來源安世亞太

在對(duì)子模型分析中，考慮了材料的塑性增強(qiáng)，涉及到的材料只有304不銹鋼，其材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3所示。

圖3：不銹鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線，來源安世亞太

子模型分析是基于整機(jī)的分析結(jié)果進(jìn)行的，在整機(jī)分析中采用的是線性靜力分析，由于在子模型中考慮了材料的非線性，故計(jì)算采用非線性靜力分析，同時(shí)在Workbench中打開大變形選項(xiàng)。關(guān)閉大變形時(shí)根據(jù)模型初始尺寸構(gòu)造剛度矩陣，然后進(jìn)行求解計(jì)算；而打開大變形后，在迭代計(jì)算時(shí)，根據(jù)前一子步的模型尺寸構(gòu)造剛度矩陣，然后進(jìn)行求解計(jì)算，所以打開大變形選項(xiàng)剛度矩陣更接近真實(shí)情況。

邊界條件：通過截面插值獲取截面處節(jié)點(diǎn)上的位移。圖4所示的是SLM選區(qū)熔化金屬3D打印設(shè)備整機(jī)模型在極限工況下的位移邊界條件。

圖4：子模型在整機(jī)中截?cái)嗝嫣幬灰七吔鐥l件，來源安世亞太

計(jì)算結(jié)果及分析

打印室立柱和支撐板焊接位置（右前處）在整機(jī)分析中的最大應(yīng)力為269MPa，超過了材料的屈服強(qiáng)度206MPa，具體見圖5所示。

圖5：模型在整機(jī)中應(yīng)力云圖，來源安世亞太

圖6：子模型中的應(yīng)力云圖，來源安世亞太

在考慮了材料塑性增強(qiáng)的子模型分析中，該部位的最大應(yīng)力降為247MPa，具體見圖6所示，但仍超過了材料的屈服強(qiáng)度，塑性變形區(qū)域主要集中在打印室立柱和支撐板焊接位置（右前處）焊縫的四個(gè)角點(diǎn)處，最大的塑性應(yīng)變0.00156，具體見圖7所示。

圖7：子模型塑性應(yīng)變?cè)茍D，來源安世亞太

結(jié)論

從子模型仿真分析結(jié)果來看，相比于整機(jī)狀態(tài)下應(yīng)力結(jié)果，在考慮了材料的塑性增強(qiáng)后，所分析的結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力是有所降低；但仍然超過了材料的屈服強(qiáng)度，存在塑性變形區(qū)域，塑性區(qū)域大小和應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度的區(qū)域相一致，應(yīng)力集中區(qū)域一般為焊縫角點(diǎn)、倒圓角等處。

來源：3D科學(xué)谷