本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù):
熔融層積成型技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化,同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下,根據(jù)截面輪廓信息,將材料選擇性地涂敷在工作臺(tái)上,快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后,機(jī)器工作臺(tái)下降一個(gè)高度(即分層厚度)再成型下一層,直至形成整個(gè)實(shí)體造型。這種加工方式使得當(dāng)上層截面大于下層截面時(shí),上層截面多出的部分由于無材料的支撐將會(huì)出現(xiàn)懸浮(或懸空),從而使多出的截面部分發(fā)生塌陷或變形,影響零件原型的成型精度,甚至使零件不能成型。
常用于解決解決打印過程中出現(xiàn)塌方變形的方法是添加支撐結(jié)構(gòu),而支撐結(jié)構(gòu)可分為兩種:一種是加于工作臺(tái)之上、保證預(yù)成型的零件原型處于水平位置的基底支撐,另一種是為原型提供支撐和定位的輔助結(jié)構(gòu)、保證足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的對原型的支撐。
目前,在進(jìn)行打印時(shí),既可以采用軟件自動(dòng)為單懸臂梁架添加支撐結(jié)構(gòu),自動(dòng)添加的支撐結(jié)構(gòu)從所在打印平臺(tái)開始,直至平臺(tái)單懸臂梁架結(jié)構(gòu)底部,耗材嚴(yán)重,且大大增加了打印時(shí)間,還可以使用軟件人為添加各種形狀支撐:單臂板或雙壁板等支撐。但由于這兩種方式所添加的支撐在產(chǎn)品完成打印后需要將其與本體分開,而具有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性的支撐與原型粘結(jié)過牢靠,不易去除且易降低原型的表面質(zhì)量。
為了節(jié)約原料,降低打印成本,免除打印完成后去除支撐結(jié)構(gòu)的工藝過程,避免去除支撐過程中對成型表面破壞,獲得更加良好的表面質(zhì)量,需要采用無需去除的自支撐結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法,采用本方法設(shè)計(jì)出的單懸臂梁架在打印完成后無需去除自支撐結(jié)構(gòu),節(jié)省了原料,也降低了打印成本。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是,一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法,具體包括如下步驟:
步驟1,設(shè)定支座的設(shè)計(jì)參數(shù):
支座的設(shè)計(jì)參數(shù)具體為:長度a2、寬度b2、高度c2;
步驟2,根據(jù)步驟1設(shè)定的參數(shù)設(shè)計(jì)支座的結(jié)構(gòu);
步驟3,設(shè)定懸臂梁的設(shè)計(jì)參數(shù):
懸臂梁的設(shè)計(jì)參數(shù)具體為:長度a1、寬度b1、垂直截面高度差c1以及懸臂梁與支座之間的夾角θ,θ的范圍為[90°,180°);
步驟4,根據(jù)步驟3設(shè)定的懸臂梁參數(shù)在支座的頂部一側(cè)設(shè)計(jì)懸臂梁結(jié)構(gòu);
步驟5,在懸臂梁和支座之間設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu),即得到帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架,所述自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為圓弧或者橢圓弧。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于,
其中步驟5的具體過程如下:
步驟5.1,根據(jù)懸臂梁與支座之間的夾角θ的不同取值范圍選取θ的加權(quán)系數(shù)k1,具體過程如下:
當(dāng)θ=90°時(shí),加權(quán)系數(shù)k1等于2;
當(dāng)90<θ<150時(shí),加權(quán)系數(shù)k1等于3;
當(dāng)150≤θ<180時(shí),加權(quán)系數(shù)k1等于0;
步驟5.2,計(jì)算懸臂梁長度a1與支座的高度c2的比值s,0<s<1,根據(jù)比值s的不同取值范圍確定該比值s的加權(quán)系數(shù)k2,求加權(quán)系數(shù)k2的具體過程如下:
當(dāng)0<s<0.2,加權(quán)系數(shù)k2等于1;
當(dāng)0.2≤s<0.7,加權(quán)系數(shù)k2等于2;
當(dāng)0.7≤s≤1時(shí),加權(quán)系數(shù)k2等于3;
步驟5.3,根據(jù)步驟5.1和步驟5.2所得的結(jié)果求自支撐結(jié)構(gòu)的加權(quán)系數(shù)k;
步驟5.4,根據(jù)步驟5.3所得的加權(quán)系數(shù)k選取自支撐結(jié)構(gòu)的類型,其中,0<k≤9,具體過程為:
當(dāng)0<k≤4時(shí),自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為圓弧;
當(dāng)4<k≤9時(shí),自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為橢圓弧,橢圓弧的長軸短軸比為7:4;
步驟5.5,求單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的許用彌補(bǔ)長度[r];
步驟5.6,確定單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的實(shí)際彌補(bǔ)長度r1、r2,當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為圓弧狀時(shí),單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的實(shí)際彌補(bǔ)長度為r1;當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為橢圓弧狀時(shí),單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的實(shí)際彌補(bǔ)長度為r2;
步驟5.7,求自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離h1、h2,其中h1為圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離,h2為橢圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離h2;
步驟5.8,確定自支撐結(jié)構(gòu)的終止位置;
步驟5.9,令自支撐結(jié)構(gòu)的寬度b等于懸臂梁的寬度b1,當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為圓弧狀時(shí),圓弧所對圓心o與自支撐結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)的連線與支座垂直;當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為橢圓弧狀時(shí),橢圓弧的長軸am與支座垂直,且橢圓弧的長軸am的一端過橢圓弧支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn),;根據(jù)步驟3中設(shè)定的懸臂梁和支座之間的夾角θ、單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的實(shí)際彌補(bǔ)長度為r1和r2及自支撐結(jié)構(gòu)的起始位置和終止位置在懸臂梁和支座之間設(shè)計(jì)出自支撐結(jié)構(gòu),即得到帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架。
其中步驟5.3的具體過程如下:
根據(jù)如下公式(1)求自支撐結(jié)構(gòu)的加權(quán)系數(shù)k:
k=k1k2(1)。
其中步驟5.5的具體過程如下:
設(shè)懸臂梁2的外部等效載荷為f,設(shè)懸臂梁2的外部等效載荷f距單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的距離為l,通過如下公式2計(jì)算單懸臂梁架危險(xiǎn)截面的許用彌補(bǔ)長度[r]:
其中,g為重力加速度,懸臂梁的材料選用聚乳酸,ρ為聚乳酸的材料密度,[σ]為聚乳酸的最大拉伸強(qiáng)度。
其中步驟5.6的具體過程如下:
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為圓弧形時(shí),將步驟5.5所得的許用彌補(bǔ)長度[r]與懸臂梁長度a1進(jìn)行比較,取許用彌補(bǔ)長度[r]與懸臂梁長度a1中的較大值作為單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的實(shí)際彌補(bǔ)長度r1;
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為橢圓弧時(shí),將步驟5.5所得的許用彌補(bǔ)長度[r]與
其中步驟5.7的具體過程如下:
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為圓弧時(shí),通過如下公式(3)求圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離h1:
h1=c2-r1-c1(3);
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為橢圓弧時(shí),通過如下公式(4)求橢圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離h2:
h2=c2-r2-c1(4)。
其中步驟5.8的具體過程如下:
圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的終止位置和橢圓弧自支撐結(jié)構(gòu)的終止位置均為懸臂梁下表面距單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面的最遠(yuǎn)端。
本發(fā)明的有益效果如下:
1.本發(fā)明將通過原始設(shè)計(jì)模型自主添加支撐結(jié)構(gòu),解決現(xiàn)有懸臂梁打印過程中需要添加可去除支撐結(jié)構(gòu)的缺陷,相較于自動(dòng)添加的支撐結(jié)構(gòu):從打印平臺(tái)直接到單懸臂梁底部,更加節(jié)省材料,打印時(shí)間更短,更加快捷效率。
2.本發(fā)明設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu),相較于其它支撐方式,在打印完成后無需去除,減少單懸臂梁架打印工藝,同時(shí),由于所設(shè)計(jì)支撐無需去除,在打印完成后對打印模型表面質(zhì)量影響較小,模型表面質(zhì)量更高。
3.本發(fā)明為單懸臂梁架結(jié)構(gòu)添加自支撐結(jié)構(gòu),可以獲得更加穩(wěn)定的懸臂梁架結(jié)構(gòu),力學(xué)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)秀合理,可承載更大的載荷,使得單懸臂梁架整體的穩(wěn)定性更高。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)過程中未添加自支撐結(jié)構(gòu)時(shí)的單懸臂梁架主視圖;
圖2是本發(fā)明一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)過程中未添加自支撐結(jié)構(gòu)時(shí)的單懸臂梁架側(cè)視圖;
圖3是本發(fā)明一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的單懸臂梁架的圓弧自支撐結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4是本發(fā)明一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的單懸臂梁架的橢圓圓弧自支撐結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中,1.支座,2.懸臂梁,3.自支撐結(jié)構(gòu),4.危險(xiǎn)截面。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明一種帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架的設(shè)計(jì)方法,其特征在于:具體包括如下步驟:
步驟1,設(shè)定支座1的設(shè)計(jì)參數(shù):
支座1的設(shè)計(jì)參數(shù)具體為:長度a2、寬度b2、高度c2;
步驟2,根據(jù)步驟1設(shè)定的參數(shù)設(shè)計(jì)支座1的結(jié)構(gòu);
步驟3,設(shè)定懸臂梁2的設(shè)計(jì)參數(shù):
懸臂梁2的設(shè)計(jì)參數(shù)具體為:長度a1、寬度b1、垂直截面高度差c1以及懸臂梁2與支座1之間的夾角θ,θ的范圍為[90°,180°);
步驟4,根據(jù)步驟3設(shè)定的懸臂梁2參數(shù)在支座1的頂部一側(cè)設(shè)計(jì)懸臂梁結(jié)構(gòu)(參見圖1~2);
步驟5,在懸臂梁2和支座1之間設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu)3,即得到帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架,所述自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為圓弧或者橢圓弧,具體過程如下:
步驟5.1,根據(jù)懸臂梁2與支座1之間的夾角θ的不同取值范圍選取θ的加權(quán)系數(shù)k1,具體過程如下:
當(dāng)θ=90°時(shí),加權(quán)系數(shù)k1等于2;
當(dāng)90<θ<150時(shí),加權(quán)系數(shù)k1等于3;
當(dāng)150≤θ<180時(shí),加權(quán)系數(shù)k1等于0;
步驟5.2,計(jì)算懸臂梁2的長度a1與支座的高度c2的比值s,0<s<1,根據(jù)比值s的不同取值范圍確定該比值s的加權(quán)系數(shù)k2,求加權(quán)系數(shù)k2的具體過程如下:
當(dāng)0<s<0.2,加權(quán)系數(shù)k2等于1;
當(dāng)0.2≤s<0.7,加權(quán)系數(shù)k2等于2;
當(dāng)0.7≤s≤1時(shí),加權(quán)系數(shù)k2等于3;
步驟5.3,根據(jù)步驟5.1和步驟5.2所得的結(jié)果求自支撐結(jié)構(gòu)3的加權(quán)系數(shù)k;步驟5.3的具體過程如下:
根據(jù)如下公式1求自支撐結(jié)構(gòu)的加權(quán)系數(shù)k:
k=k1k2(1);
步驟5.4,根據(jù)步驟5.3所得的加權(quán)系數(shù)k選取自支撐結(jié)構(gòu)3的類型,其中,0<k≤9,具體過程為:
當(dāng)0<k≤4時(shí),自支撐結(jié)構(gòu)3的形狀為圓??;
當(dāng)4<k≤9時(shí),自支撐結(jié)構(gòu)3的形狀為橢圓弧,橢圓弧的長軸短軸比為7:4;
步驟5.5,求自支撐結(jié)構(gòu)3危險(xiǎn)截面的許用彌補(bǔ)長度[r];
步驟5.5的具體過程如下:
設(shè)懸臂梁2的外部等效載荷為f,設(shè)懸臂梁2的外部等效載荷f距單懸臂梁架危險(xiǎn)截面4的距離為l,通過如下公式2計(jì)算單懸臂梁架危險(xiǎn)截面4的許用彌補(bǔ)長度[r]:
其中,g為重力加速度,懸臂梁2的材料選用聚乳酸,ρ為聚乳酸的材料密度,[σ]為聚乳酸的最大拉伸強(qiáng)度;
步驟5.6,確定單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的實(shí)際彌補(bǔ)長度r1、r2,當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為圓弧狀時(shí),單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的實(shí)際彌補(bǔ)長度為r1;當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為橢圓弧狀時(shí),單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的實(shí)際彌補(bǔ)長度為r2;
步驟5.6的具體過程如下:
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)3的形狀為圓弧形時(shí),將步驟5.5所得的許用彌補(bǔ)長度[r]與懸臂梁長度a1進(jìn)行比較,取許用彌補(bǔ)長度[r]與懸臂梁長度a1中的較大值作為單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的實(shí)際彌補(bǔ)長度r1;
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)3的形狀為橢圓弧時(shí),將步驟5.5所得的許用彌補(bǔ)長度[r]與
步驟5.7,求自支撐結(jié)構(gòu)3的起始點(diǎn)距支座底部的距離h1、h2,其中h1為圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離,h2為橢圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離h2;
步驟5.7的具體過程如下:
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為圓弧時(shí),通過如下公式(3)求圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離h1:
h1=c2-r1-c1(3);
當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)的形狀為橢圓弧時(shí),通過如下公式(4)求橢圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的距離h2:
h2=c2-r2-c1(4);
步驟5.8,確定自支撐結(jié)構(gòu)3的終止位置;
步驟5.8的具體過程如下:
圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的終止位置和橢圓弧自支撐結(jié)構(gòu)的終止位置均為懸臂梁2下表面距單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的最遠(yuǎn)端;
步驟5.9,令自支撐結(jié)構(gòu)3的寬度b等于懸臂梁的寬度b1,當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為圓弧狀時(shí),圓弧所對圓心o與自支撐結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)的連線與支座垂直;當(dāng)自支撐結(jié)構(gòu)為橢圓弧狀時(shí),橢圓弧的長軸am與支座垂直,且橢圓弧的長軸am的一端過橢圓弧支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn);根據(jù)步驟3中設(shè)定的懸臂梁2和支座1之間的夾角θ、單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的實(shí)際彌補(bǔ)長度r1和r2及自支撐結(jié)構(gòu)的起始位置和終止位置在懸臂梁2和支座1之間設(shè)計(jì)出自支撐結(jié)構(gòu),即得到帶有自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架。
實(shí)施例1
設(shè)定支座1的設(shè)計(jì)參數(shù),具體包括:長度a2=20mm、寬度b2=30mm和高度c2=120mm,根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)支座1的結(jié)構(gòu);
設(shè)定懸臂梁2的參數(shù),具體包括:長度a1=60mm,寬度b1=15mm,垂直截面高度差c1=10mm以及懸臂梁與支座之間的夾角θ=90°,根據(jù)設(shè)定的懸臂梁參數(shù)在支座1的頂部一側(cè)設(shè)計(jì)懸臂梁結(jié)構(gòu)
選取懸臂梁2與支座1之間夾角θ的加權(quán)系數(shù)k1=3;計(jì)算懸臂梁2長度a1與支座的高度c2的比值
選取的自支撐結(jié)構(gòu)類型為圓弧,帶有圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架結(jié)構(gòu)如圖3所示;
設(shè)定懸臂梁2的外部等效載荷f=200n,以及外部等效載荷f距單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的距離l=30mm,懸臂梁2的材料選用聚乳酸,聚乳酸的材料密度為ρ==1.27g/cm3,聚乳酸的最大拉伸強(qiáng)度為[σ]=40mpa,
計(jì)算單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的許用彌補(bǔ)長度[r]:
將許用彌補(bǔ)長度[r]與a1比較得實(shí)際彌補(bǔ)長度r1=60mm;得到自支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn)距支座底部的高度h1=c2-r1-c1=45mm;
令自支撐結(jié)構(gòu)的寬度b=b1=15mm,根據(jù)懸臂梁2與支座1之間的夾角θ=120°,及單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的實(shí)際彌補(bǔ)長度r1=60mm,圓弧狀自支撐的終止點(diǎn)為懸臂梁2下表面距單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的最遠(yuǎn)端,圓弧所對圓心o與自支撐結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)的連線與支座垂直,根據(jù)上述圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)在懸臂梁2與支座1之間設(shè)計(jì)出圓弧狀的自支撐結(jié)構(gòu);
實(shí)施例2,
設(shè)定支座1的設(shè)計(jì)參數(shù),具體包括:長度a2=25mm、寬度b2=30mm和高度c2=100mm,根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)支座1的結(jié)構(gòu);
設(shè)定懸臂梁2的參數(shù),具體包括:長度a1=30mm,寬度b1=20mm,垂直截面高度差c1=12mm以及懸臂梁與支座之間的夾角θ=90°,根據(jù)設(shè)定的懸臂梁參數(shù)在支座1的頂部一側(cè)設(shè)計(jì)懸臂梁結(jié)構(gòu)
選取懸臂梁2與支座1之間夾角θ的加權(quán)系數(shù)k1=3;計(jì)算懸臂梁2長度a1與支座的高度c2的比值
選取的自支撐結(jié)構(gòu)類型為橢圓??;帶有橢圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的單懸臂梁架結(jié)構(gòu)如圖4所示;
設(shè)定懸臂梁2的外部等效載荷f=330n,以及外部等效載荷f距單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的距離l=15mm,懸臂梁2的材料選用聚乳酸,聚乳酸的材料密度為ρ==1.27g/cm3,聚乳酸的最大拉伸強(qiáng)度為[σ]=40mpa,
計(jì)算單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的許用彌補(bǔ)長度[r]:
將許用彌補(bǔ)長度[r]與與
令自支撐結(jié)構(gòu)的寬度b=b1=15mm,根據(jù)懸臂梁2與支座1之間的夾角θ=120°,及單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的實(shí)際彌補(bǔ)長度r1=60mm,橢圓弧自支撐結(jié)構(gòu)的終止點(diǎn)為懸臂梁2下表面距單懸臂梁架的危險(xiǎn)截面4的最遠(yuǎn)端,橢圓弧的長軸am與支座1垂直,且橢圓弧的長軸am的一端過橢圓弧支撐結(jié)構(gòu)的起始點(diǎn),根據(jù)上述橢圓弧狀自支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)在懸臂梁2與支座1之間設(shè)計(jì)出橢圓弧自支撐結(jié)構(gòu)。