Abaqus增材制造过程仿真理论连载1

增材制造过程仿真

增材制造提供了生产复杂设计的能力，这是传统制造方法无法实现的。

目录：

1.关于增材制造过程仿真

2.工具路径-网格交叉模块

3.增材制造过程的热-力分析

4.增材制造过程的基于本征应变的分析

5.增材制造过程的特殊目的技术

 

1.    关于增材制造过程仿真

增材制造(AM)提供了生产传统制造方法无法生产的复杂零件的潜力。

本节描述用于模拟和评估增材制造过程的abaqus功能，以及过程参数对最终打印部件的影响。

将讨论下面的主题：

·        关于增材制造

·        工具路径-网格交叉模块

·        热-力分析

·        基于本征应变的分析

·        增材制造的特殊目的技术

·        后处理仿真以及服役性能验证

1.1关于增材制造

增材制造，也被称为3D打印，是一个广泛使用的术语，用于描述制造三维物体的工业过程：

·        原材料的受控沉积(通常为粉状、熔融态或液态);

·        诱导转化为固态。

通用增材制造过程（ISO/ASTM52900-15）如下表：

技术	粉末床	粘结剂喷射	直接能量沉积	材料挤出	箔片层叠	光照聚合	材料喷射
描述	热能选择性地熔化粉末床的区域	一种液体粘合剂被沉积，来连接粉状材料	安装在多轴臂上的喷嘴沉积熔化的材料	材料通过喷嘴挤出，在那里被加热。一层一层地沉积	一片片的材料粘在一起形成一个物体	采用光活化聚合法选择性地固化液体光聚合物	构建材料的液滴被选择性地沉积下来
材料形式	粉末	粉末	粉末或线	实体材料	实体材料	液态树脂	墨水
材料	金属 塑料	金属 塑料 陶瓷	金属	塑料 复材	纸 金属	塑料（光固化树脂）	塑料
过程项	选择性激光烧结（SLS） 选择性激光熔化(SLM) 电子束熔化(EBM) 直接金属激光烧结(DMLS)	粘结剂喷射(BJ) 喷墨印刷粉 多喷射熔合（MJF）	激光熔覆 直接能量沉积(DED) 激光金属沉积(LMD) 激光工程净形(透镜) 激光或电子束线材沉积	熔化沉积模拟(FDM)	层压对象制造(LOM) 纸张层压技术(PLT) 超声增材制造(UAM)	立体光刻(SLA) 数字光处理(DLP)	感光性树脂喷射(PolyJet) 多射流模拟(MJM)

增材制造使生产复杂形状成为可能，而不受传统制造方法的设计约束。因此，部件的功能需求成为设计工作的主要焦点。然而，增材制造工艺也有其自身的挑战。例如，由制造过程引起的热应变会产生足够大的残余应力，从而在印刷过程中或在零件的使用寿命中导致失效。

增材制造仿真的一些主要目标是:

·        预测零件的残余应力。

·        通过工艺优化，最大限度地减少设计和制造之间的差距。

·        评估增材制造的零件在与其他部件的装配中，实际载荷条件下的性能。

Abaqus/Standard增材制造技术的核心是工具路径-网格交叉模块——这是一个强大的基于几何的引擎，它将加工工具路径数据作为输入，并将其与任意网格交叉。

Abaqus/Standard提供了两种模拟增材制造过程的方法:一种是热-力模拟，另一种是基于本征应变的模拟。

Abaqus/Standard提供了通用模拟功能，允许您定义适当的边界条件、载荷、交互、约束和材料模型，以捕获增材制造过程的物理特性。此外，特殊的分析技术可用于模拟增材制造过程，考虑到机器信息和工艺参数，如激光功率、层厚和刀具轨迹。Abaqus还允许您为打印部件执行后处理模拟和服役过程中的性能验证。

1.2   工具路径-网格交叉模块

工具路径-网格交叉模块用于查找增材制造过程中使用的各种工具路径与被制造零件的有限元网格之间的几何交叉点。例如，在典型的金属粉末床模拟中，可以使用事件系列定义粉末金属沉积和热源(如激光)的时间-位置历史。工具路径-网格交叉模块使用事件系列数据，并自动计算激活单元所需的相关信息，并将适当的热能应用到模型。

1.3   热-力模拟

热力模拟包括打印过程中零件热加载的瞬态传热分析，以及由热分析产生的温度场驱动的静力结构分析。模拟允许对过程条件的时间和空间进行精确指定，并使您能够精确控制求解的保真度。这种模拟是精确和复杂的，但随着时间和空间(网格)分辨率的增加，它的计算成本会很高。

1.4   基于本征应变的模拟

本征应变，或固有应变，是一个工程概念，用来解释由制造过程引起的永久(或非弹性)变形的所有可能来源。本征应变长期以来被用于评价焊接操作的残余应力。基于本征应变的增材制造过程模拟包括对打印部件的单一静力应力分析，其中根据代表打印过程的单元激活序列(通常是一层一层地)，施加预定义的特征应变场。这一过程会导致残余应力和变形场的分布，从而导致零件的整体变形。这种方法不需要获得详细的机器信息;然而，它需要额外的努力（实验或详细的过程级热-力模拟）来校准本征应变值。本征应变模拟的结果通常比热力模拟的结果更接近。一般而言，本征应变分析足以捕捉畸变和残余应力，但可能无法捕捉高阶变形模式，如薄壁部件在打印过程中可能发生的屈曲。

1.5   增材制造的特殊目的技术

用于增材制造过程模拟的Abaqus/standard中的功能是在用户子程序基础结构和提供高度控制和定制的关键字接口上开发的。此外，还有一些特殊用途的技术可以用于模拟不需要编写用户子程序的常见AM过程。这些技术在Abaqus中被实现为使用相同用户子程序基础结构和关键字接口的“内部”用户子程序。这些特殊目的的技术通过使用以“ABQ_”开头的字符串名称的表集合来访问，这在增材制造的特殊目的技术中有详细描述。字符串名称以“ABQ_”开头的表集合是为特殊目的技术保留的，不应该在编写自己的用户子程序时使用。

1.6   后处理仿真以及服役性能验证

通常有必要模拟在打印零件上执行的附加后处理操作，例如从构建板上移除零件或移除支撑结构的电火花切割加工(EDM)，热处理或其他后续的加工过程。

通过电火花加工的切割过程，可以用切割区域中指定单元的逐渐去除来建模。通过给渐进式单元激活定义中的单元分配一个零值材料体积分数，可以实现渐进式单元移除(参见渐进式单元激活章节)。或者，您可以使用模型改变技术指定要从模型中删除的单元(参见删除单元章节)。

您还可以应用热处理热循环来模拟由于退火或其他热诱导相变而导致的零件残余应力的减少。

此外，还可以对打印零件施加服役载荷，以考虑制造历史造成的残余应力影响。Abaqus/Standard为建模部件失效和部件耐久性提供了多种选择，这些选择可以合并到后续的服役性能验证中。