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  知識堂   2022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)備運行的穩(wěn)定性與可靠性。通過利用子模型分析方法，對某型號的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，選取一個典型部位進(jìn)行子模型分析，從而更準(zhǔn)確的計算這該部位的應(yīng)力分布情況。

子模型分析方法

針對機(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。比如在極限運輸工況下，可能會發(fā)生極限傾斜工況（傾斜30°工況），在對整機(jī)在極限工況下的靜強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，可能會出現(xiàn)一些部件超過了材料的屈服強(qiáng)度。針對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，因為在整機(jī)極限工況強(qiáng)度校核分析時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。

針對這種情況，為了獲得更精確的仿真結(jié)果，同時考慮材料的塑性增強(qiáng)，需要對其應(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較粗糙的整體模型分割開的邊界。從整體模型計算所得的切割邊界的計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，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，故計算采用非線性靜力分析，同時在Workbench中打開大變形選項。關(guān)閉大變形時根據(jù)模型初始尺寸構(gòu)造剛度矩陣，然后進(jìn)行求解計算；而打開大變形后，在迭代計算時，根據(jù)前一子步的模型尺寸構(gòu)造剛度矩陣，然后進(jìn)行求解計算，所以打開大變形選項剛度矩陣更接近真實情況。

邊界條件：通過截面插值獲取截面處節(jié)點上的位移。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)中截斷面處位移邊界條件，來源安世亞太

計算結(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）焊縫的四個角點處，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)變云圖，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、倒圓角等處。

來源：3D科學(xué)谷