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?3D打印技術(shù)之3D打印模型結(jié)構(gòu)分析

文章出處:嵌入式 責(zé)任編輯:上海現(xiàn)易電子元器件有限公司 發(fā)表時間:2020-11-10

  3D打印技術(shù)促進了產(chǎn)品個性化定制的普及與推廣,使得每個人都可以設(shè)計3D幾何模型,成為自己產(chǎn)品的設(shè)計師。他們由于缺乏一些設(shè)計經(jīng)驗與力學(xué)知識,會導(dǎo)致其設(shè)計結(jié)果直接3D打印后會存在一些結(jié)構(gòu)問題,如強度問題、穩(wěn)定性問題等。強度不足可能會使3D模型在打印、運輸或日常使用過程中受到破壞,而穩(wěn)定性問題則會導(dǎo)致3D模型無法正常地放置或懸掛,影響其日常使用功能。這種問題我們稱其為結(jié)構(gòu)分析問題,它的主要任務(wù)是識別3D模型中存在的強度或穩(wěn)定性缺陷,并給出適當(dāng)合理的彌補方案。下面就隨嵌入式小編一起來了解一下相關(guān)內(nèi)容吧。

  1、強度加固

  針對強度問題,文獻給出了一個自動檢測并修正結(jié)構(gòu)強度問題的系統(tǒng)方案,來創(chuàng)建一個新的3D模型,使其與原有模型保持盡可能相近的外形,同時提高其結(jié)構(gòu)強度與整體性。該方案中,模型的結(jié)構(gòu)強度問題通過一個輕量級的結(jié)構(gòu)分析解算器來計算識別出。隨后,根據(jù)所檢測出的強度問題,文中給出三種方法對原模型進行修正:內(nèi)部挖洞、局部加厚與加支撐,如圖10所示。

結(jié)構(gòu)強度問題與修正方法

  文獻中的方案有效地提高了模型的結(jié)構(gòu)性能,避免了高強度應(yīng)力區(qū)域的出現(xiàn)。但是該方案的最大局限在于:在結(jié)構(gòu)強度檢測時,系統(tǒng)需要先預(yù)設(shè)模型可能承受的外部荷載情況,并據(jù)此對模型顯式地指定一種或幾種捏握式外部荷載來進行結(jié)構(gòu)強度計算。當(dāng)然,同時還需考慮模型的重力荷載。顯然,對很多模型來說,這種預(yù)設(shè)的荷載并不能很好地反映模型的真實荷載分布,因此其結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的真實性與可靠性也就不能很好地保證了。

  2、最不利荷載

  針對上面的問題,文獻給出了一個更好的方案。該方案在預(yù)測或檢測模型結(jié)構(gòu)強度問題時,與上述明確指定或設(shè)定模型的荷載情況方法不同的是,它去尋找一種最不利荷載情況(Worst-Case),并據(jù)此識別出模型上最易破壞之處或最大變形區(qū)域,如圖11所示。

  

 

Worst-Case計算實例

  該方案的核心方法是模態(tài)分析(Modal Analysis),在結(jié)構(gòu)分析研究領(lǐng)域,當(dāng)一個物體以不同頻率振動時,這種振動會導(dǎo)致物體的一些脆弱部位產(chǎn)生高應(yīng)力或大變形。模態(tài)分析就是用來預(yù)測結(jié)構(gòu)在振動狀態(tài)下可能發(fā)生的破壞或變形的一種經(jīng)典方法。

  該方案的主要步驟如下:

  (1)計算輸入模型的各階模態(tài);

  (2)對模型的每一階模態(tài),計算提取出相應(yīng)的薄弱區(qū)域;

  (3)對每一個薄弱區(qū)域,通過求解一系列的優(yōu)化問題,計算出其相應(yīng)的最不利荷載分布;

  (4)用有限元方法計算在上述荷載分布作用下模型的應(yīng)力,從而得到該薄弱區(qū)域的最大應(yīng)力分布情況。

  綜合以上每一階模態(tài)下模型的最不利荷載分布與最大應(yīng)力分布情況,確定最終結(jié)果。

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