ANSYS 特殊材料3D打印设备开发成型过程的数值模拟仿真(3)

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1.2 国内外研究情况

1.2.1含能材料的3D打印的国内外研究现状

1.2.2 3D打印的计算机仿真国内外研究现状

1.3 本论文的研究内容和研究意义

1.3.1论文研究内容

首先，在熔融沉积成型理论与ANSYS热分析理论的基础上，本文对含能材料的熔融沉积成型工艺提出了两种合理的路径。接下来建立了有限元分析模型并进行了数值模拟，得到成型件温度场的分布情况。然后利用温度场的模拟结果，建立FDM热力耦合的应力场分析模型，并进行模拟仿真分析。最后，通过对应力云图和节点温度结果进行分析，比较两个工艺路径对成型件的性能的影响。本文具体研究内容及研究目标如下：

（1）借助ANSYS APDL编写命令流，应用生死单元技术仿真FDM加工过程，先对成型件温度场进行仿真；

（2）进行成型件应力场的仿真，把温度场分析得到的数据作为后者的载荷，得到成型件的应力场分析结果。最终得出成型件的变形数据；

（3）改变成型件的网格模型，通过不同的成型工艺路径进行仿真分析，提出最优化的成型工艺路径。

1.3.2论文的研究意义

本论文基于3D打印技术，将从对成型件产生变形起主要作用的温度场入手，利用ANSYS的生死单元技术，对FDM过程的温度、应力场的仿真，得到成型件的变形规律。在此基础上，改变喷头扫描路径，提出不同轨迹的工艺路径模型，来比较不同运动轨迹下的零件的变形和填充率。使得熔融沉积成型技术理论得到进一步完善，为3D打印的更广泛应用打下基础。

通过CAE技术模拟预测打印件的各项性能参数，优化工艺路径与加工参数，可显著的提高产品的力学性能和精度。本文通过比较两种经典的工艺扫描路径，对含能材料的3DP技术进行有限元仿真，为实际的加工成型提供理论指导。

二、温度场仿真理论

2.1引言

ANSYS热分析用于计算系统或单一部件的温度场分布情况及其热物理参数,源Z自+751=文)论(文]网[www.751com.cn（热通量或热梯度等）。ANSYS热分析基本理论是通过热量传递过程中能量守恒原理列出能量平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，通过各节点温度整合得到整体的温度场分布情况，并导出其他热物理参数。热分析可按照分析类型分为稳态传热和瞬态传热。稳态传热分析主要是分析温度场不随时间变化或变化很缓慢的系统，而瞬态传热主要分析温度场随时间发生明显变化的系统。

对于FDM 成型的过程，利用 ANSYS 对该过程进行温度场的数值模拟，在成型过程中，热源有两个，喷头和加热底板。因此，很显然成型件内部温度T 是三维空间(x,y,z)的函数，同时温度也是时间的函数。所以，温度T是x,y,z和t的多元函数。所以在FDM成型分析过程中，成型过程需要采用瞬态传热分析。FDM成型过程实际就是熔融态物体到固态物体的变化过程，所以相变潜热会对温度场造成影响,并且由于物理性质不同，材料性质变化，所以在仿真分析中还需要考虑材料的非线性问题。