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3D打印材料点阵结构性能

更新时间: 2025-01-06 17:23:18  查看次数: 134    
ABAQUS软件做点阵结构压缩力学性能的有限元仿真分析,得先通过三维建模软件UG建一个点阵结构的三维模型,再把这个模型导入ABAQUS软件里做前处理。点阵结构是连续体单元,为了让模拟的点阵结构在准静态压缩实验里受力均匀,要在ABAQUS软件里做出两个离散刚体,设置参考点RP1和RP2,通过设置接触,把参考点和点阵结构的上下表面连起来,这样就能模拟压缩实验里的压头和支座。为了保证模拟的准确性,要用全局布种子的办法来控制网格密度。具体这么做:第一步,确定种子大小。按照有限元分析的经验,把种子尺寸设为单胞外径的三分之一左右比较好,这样既能保证算得准,又能节省计算时间。第二步,选单元形状。因为点阵结构的节点很多都是奇怪的曲面,所以用四面体和自由网格技术来划分网格,两个刚性面就主要用六面体网格。第三步,选单元类型。点阵结构模型选四结点线性四面体单元(C3D4),刚性面选四结点刚性单元(R3D4) 。第四步,对整个模型划分网格。边界条件就是固定模型的一部分,让它在加载的时候不会乱动。这里模拟的是点阵结构的准静态压缩实验,实验平台的底面可以用下面的刚性面模拟,设置成完全固定;上面的刚性面沿着Z轴正方向给模型一个位移,为了和实验结果一样,把位移值设成27.6mm 。模拟这个准静态压缩实验属于有限元结构静力学分析,要用显示分析步(Dynamic Explicit) 。还可以通过对点阵结构做频率分析,算出它最低阶的固有频率。做法是把上下刚性面去掉,去掉边界条件和位移载荷,创建一个分析步,根据频率分析来算出点阵结构模型的固有频率。
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PLA、PA和GF/PA这三种材料模拟点阵结构静态压缩实验,去掉基面和压头后的应力云图。从图上能发现,点阵结构圆环节点的地方最早出现塑性变形,应力主要集中在节点那儿。随着加载位移变大,圆环底部变形最厉害,最后整个结构被压得紧紧的,变成一个紧实的结构,吸能效果很好。因为在PA材料里加了玻璃纤维,起到增强作用,所以GF/PA材料的应力值比较高。这三种材料的整体加载趋势差不多,点阵结构的破坏过程分弹性阶段、强化阶段、塑性平台阶段,最后是致密化阶段。压缩刚开始的时候,整个结构是线弹性的,符合胡克定律。当圆环被压缩到极限强度后,载荷值就稳定下来了,这是因为在塑性平台阶段,上下两层的圆环虽然变形了,但还没完全坏掉。随着加载位移继续增加,上下两层的圆环变形太严重,就坏掉了,把载荷传给中间的圆环部分,让中间圆环一直受压。当点阵结构完全坏掉的时候,所有圆环都被挤在一起,这时候结构变得很紧实,承受压力的能力一下子变强,吸能效果也更好。对比实验和有限元仿真得到的不同材料的载荷 - 位移曲线,能发现实验和数值模拟的结果有一些不一样,但大致的变化趋势是一样的,特别是在线弹性阶段,这个阶段圆环发生弹性变形。在塑性平台阶段,实验的载荷位移曲线比较平稳,可有限元仿真出现了二次屈服阶段,和实验曲线对不上。这可能是因为有限元模拟设置的边界条件太理想化了,所以得到的载荷值比实验的高。另外,试样在制作成型的时候,会受到制备工艺的影响,导致结构出现缺陷,使得圆环在压缩的时候受力不均匀,让试样的力学性能变差 。