(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210601366.9 (22)申请日 2022.05.30 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 张武翔　王莘儒　尚俊凡　田麦祎　 丁希仑　 (74)专利代理 机构 北京永创新实专利事务所 11121 专利代理师 周长琪 (51)Int.Cl. B29C 64/386(2017.01) B33Y 50/00(2015.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 111/04(2020.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 连续纤维3D打印过程动态模拟及打印件翘 曲变形的预测方法 (57)摘要 本发明提供了一种连续纤维3D打印过程动 态模拟及打印件翘曲变形的预测方法。 本发明方 法根据实际打印件几何数据建立对应有 限元仿 真模型； 使用生死单元技术模拟连续纤维3D打印 过程中的材料堆积， 并得到对应的温度场分布及 热分析结果文件； 在瞬态结构 模块中加载热分析 结果文件， 得到连续纤维3D打印过程中零件的应 力分布及翘曲变形； 通过预测结果优化打印工艺 方案。 采用本发明方法， 能够在生产制造前得到 最佳的工艺参数优化方案， 从而尽可能避免翘曲 变形等问题的出现， 并有效提高打印件的力学性 能。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 114919181 A 2022.08.19 CN 114919181 A 1.一种连续纤维3D打印过程动态模拟及打印件翘曲变形的预测方法， 其特征在于， 包 括如下步骤： S1： 根据实际打印件几何数据建立对应的有限元仿真模型， 预先通过热膨胀仪测得复 合材料的热膨胀系数， 设置打印平台和复合材 料的材料参数， 并对仿真模型进行网格划分； 所述复合材 料为纤维增强树脂基复合材 料， 为各向异性材 料； 所述网格划分包括： 先将打印件模型按打印层分层， 再将每层分为K个热分析单元， 热 分析单元的高、 宽 分别为打印件的层厚、 线宽， 热分析单元的长根据计算精度设置； K为正整 数； 所述设置复合材 料的材料参数时， 确定复合材 料的纤维方向； S2： 使用生死单元技术模拟连续纤维3D打印过程中的材料堆积， 并得到对应的温度场 分布及热分析 结果文件； 其中， 在模拟前， 规划打印路径， 为每个热分析单元设置局部坐标系， 使复合材料纤维 方向与轨迹方向一致； 在模拟时， 首先使用生死单元技术杀死所有打印件模型中的热分析 单元， 再按打印路径依次为热分析单元赋予材料属性， 激活热分析单元； 在激活的热分析单 元上， 按照设定的载荷加载方式及载荷步对温度场进行求解， 得到对应的温度场分布及热 分析结果文件； 其中涉及三种温度工艺 参数， 包括打印温度、 环境温度和打印平台温度； S3： 在瞬态结构模块中加载热分析结果文件， 得到连续纤维3D打印过程中打印件的应 力分布及翘曲变形。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述的步骤S1中， 使用热膨胀仪测得所使 用的复合材 料在三个互相垂直方向上的随温度实时变化的热膨胀系数。 3.根据权利要求1或2所述的方法， 其特征在于， 所的步骤S1中， 复合材料的材料参数包 括密度、 熔点、 比热容、 热膨胀系数、 弹性常数及热导率， 其中热膨胀系数、 弹性常数及热导 率设置三个互相垂直方向的数据。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所的步骤S2中， 根据打印路径对热分析单 元进行排序编号， 包括： 对每层热分析单元， 首先按 行顺序进 行编号； 设每行经过X个热分析 单元后需要进 行编号排序反转， 则判断当前热分析单元编号是X的奇数倍还是偶数倍， 当为 奇数倍时反转后续X个热分析单元的排序， 否则不进行反转； 遍历完所有热分析单元， 获得 按打印路径的热分析 单元的排序编号； X为 正整数。 5.根据权利要求1或4所述的方法， 其特征在于， 所的步骤S2中， 激活热分析单元的时间 间隔与实际打印速度的乘积等于热分析 单元的长度。 6.根据权利要求1或4所述的方法， 其特征在于， 所述的步骤S2中， 在激活的热分析单元 上， 施加初始条件和边界条件， 按照设定的载荷加载方式及载荷步对温度场进行求解； 其 中， 初始条件包括初始设置的温度参数， 边界条件包括打印过程中已成型材料之间的热传 导、 已成型材料与周围环境的热对流以及热辐 射； 激活每个热分析单元时逐个赋予对流换 热和温度载荷， 当激活第N个热分析单元时， 对该单元施加等于打印温度的初始温度载荷， 并删除第N ‑1个单元的温度载荷； N 为正整数。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述的步骤S3中， 在瞬态结构模块中， 将热 分析单元转换为结构单元， 加载热分析结果文件， 为各个节 点加载相应温度载荷； 为有限元 模型添加位移约束的边界条件， 根据对应温度载荷计算相应的应力场分布及翘曲变形。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114919181 A 28.根据权利要求1或7所述的方法， 其特征在于， 所述的步骤S3中， 根据仿真计算数据建 立打印温度、 环境温度、 打印平台温度与打印件翘曲变形量之 间的映射关系， 通过选取不同 温度数值进行仿真， 计算得到三种温度工艺参数组合对打印件翘曲行为的影响规律， 用于 指导实际连续纤维3D打印。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114919181 A 3