基于熔融沉积成型零件的精度及温度场有限元分析研究

发布时间：2017-03-27 08:13

  本文关键词：基于熔融沉积成型零件的精度及温度场有限元分析研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：熔融沉积成型是快速成型制造中较为重要的一种成型方式,随着快速成型在制造业中占有越来越重要的地位,对成型件的精度也提出了更高要求。其成型精度受很多因素的影响,本文采用理论研究和仿真验证相结合的方式对ABS材料成型过程中两大影响因素进行了分析,研究内容和成果如下:(1)对熔融沉积成型件的精度进行分析,主要有四个产生误差的原因:CAD模型转化为STL标准文件格式引起误差、分层切片引起误差、熔丝宽度引起误差、材料冷却收缩引起误差,并针对某些误差提出了提高精度的方法。(2)对STL格式模型切后,所得到的截面轮廓点用直线段连接,与实际轮廓相差甚远,需要对截面轮廓进行拟合,以提高其精度。分析了现有对STL模型截面轮廓的拟合方法,并对比了它们的优缺点。(3)考虑实际生产中零件截面轮廓的复杂性,提出了使用直线段、圆弧段和NURBS曲线段组合进行截面轮廓点的拟合。拟合结果表明:拟合轮廓的误差与使用直线段连接相比减小了48.502%,能得到更为精确的切片轮廓质量,且轮廓线更为光滑。(4)考虑熔融沉积成型特点,利用APDL语言结合生死单元法,建立成型过程中温度场的分析模型,考虑了对流、热传导和相变潜热等的影响,分析了熔融沉积成型过程某时刻的温度梯度特征、不同时刻的温度场特征,不同初始温度的温度梯度分布特征,不同路径对温度波动的影响以及不同速度对温度波动的影响,为熔融沉积成型的工艺过程的选择提供参考。(5)通过对指定ABS材料模拟熔融沉积成型不同初始温度得到:在条件允许的状况下,应选择较高的初始温度,但不能超过材料的软化温度101℃。(6)通过模拟熔融沉积成型不同成型路径得到:最优的成型路径为从下至上沿短边成型路径。(7)通过对ABS材料模拟熔融沉积成型不同初始温度得到:200mm/s速度为最优成型速度,并且成型过程不宜超过这个速度。本文对于截面轮廓的拟合算法研究和熔融沉积成型过程不同工艺条件模拟研究,为提高熔融沉积成型零件精度提供了重要参考。
【关键词】：熔融沉积成型 STL模型 分段拟合 温度场模拟
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH16
【目录】：

• 摘要7-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-26
• 1.1 快速成型制造简介13-15
• 1.2 熔融沉积成型简介15-18
• 1.2.1 熔融沉积成型基本原理及工艺过程15-17
• 1.2.2 熔融沉积成型发展及研究现状17-18
• 1.3 熔融沉积成型零件的精度分析18-24
• 1.3.1 CAD模型转化为STL标准文件格式引起的误差18-20
• 1.3.2 分层切片引起的误差20-21
• 1.3.3 成型系统导致的误差21-22
• 1.3.4 喷头熔丝宽度引起的误差22
• 1.3.5 材料冷却收缩引起的误差22-23
• 1.3.6 喷头温度和成型室温度引起的误差23-24
• 1.4 目前熔融沉积成型方法存在的不足24-25
• 1.5 本文的研究内容及章节安排25
• 1.5.1 研究内容25
• 1.5.2 章节安排25
• 1.6 本章小结25-26
• 第2章 STL模型切片轮廓的曲线拟合26-31
• 2.1 引言26
• 2.2 截面轮廓信息分析26-28
• 2.3 截面轮廓拟合方法28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 基于STL切片数据截面轮廓的高质量分段拟合算法31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 STL模型及切片原理31-32
• 3.3 轮廓分段拟合的关键算法描述32-35
• 3.3.1 圆弧拟合方法32-33
• 3.3.2 NURBS曲线拟合方法33-35
• 3.4 应用和实例35-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 熔融沉积成型有限元模型的建立43-56
• 4.1 引言43
• 4.2 熔融沉积成型有限元分析介绍43-44
• 4.2.1 ANSYS软件介绍43-44
• 4.2.2 生死单元法44
• 4.3 熔融沉积成型有限元分析特点44-46
• 4.3.1 有限元分析熔融沉积成型特点44-45
• 4.3.2 单元类型的选取45-46
• 4.4 温度场有限元分析理论46-51
• 4.4.1 热传导问题的有限元基本方程46
• 4.4.2 非线性热传导问题的有限元求解46-47
• 4.4.3 初始条件和边界条件47-48
• 4.4.4 相变潜热处理48-49
• 4.4.5 有限元模型描述49-50
• 4.4.6 算法设计50-51
• 4.5 温度场模拟有限元模型建立51-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第5章 熔融沉积成型温度场有限元分析56-75
• 5.1 熔融沉积成型过程中某节点的温度特征分析56
• 5.2 熔融沉积成型过程中某时刻的温度梯度特征分析56-59
• 5.3 熔融沉积成型过程不同时刻的温度场特征分析59-63
• 5.4 熔融沉积成型过程不同初始温度的温度梯度分布特征63-65
• 5.5 熔融沉积成型过程不同路径对温度波动的影响65-70
• 5.6 熔融沉积成型过程不同速度对温度波动的影响70-74
• 5.7 本章小结74-75
• 工作总结与展望75-77
• 全文总结75
• 工作展望75-77
• 参考文献77-80
• 致谢80-81
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文81

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