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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

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,安世亞太的仿真專家通過對(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。


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