熔融沉积增材制造ABS材料本构模型研究及其应用

摘要

增材制造技术依据数字化模型，将材料以逐层铺叠的方式制成产品，为制造复杂模型以及经拓扑优化设计后的不规则结构提供了有效的解决方法。近年来，增材制造技术凭借其成型成本低、设计制造周期短、制造复杂零部件能力强等特点被越来越多的领域所接受。其中熔融沉积(Fused Deposition Modeling，以下简称FDM)式增材制造技术被应用最多。FDM式增材制造要求其成型材料具有成型温度低、流动性好等特点，多以热塑性塑料为成型材料，如ABS、PLA等材料。由于ABS材料在力学和加工性能的优异表现，研究基于FDM打印工艺的ABS材料对增材制造技术的工业应用具有重要意义。 增材制造技术是对传统制造技术的一次改革，但制造方式的创新使得针对传统工艺开发的材料本构模型不再适用。由于正确的材料本构模型可使该材料模型的仿真和优化结果更可信，因此研究打印后材料的力学本构显得尤为重要。但目前，针对FDM式增材制造后材料的本构模型及仿真优化分析研究较少。本文基于FDM式增材制造对ABS材料的本构模型进行研究，通过实验与仿真结合的方法为打印后材料选用正确的本构模型，并运用此材料模型对汽车方向盘进行拓扑优化设计。 本文内容可分为五部分： 1）对打印后材料的本构模型提出假设。结合FDM式增材制造的特点，对打印后材料提出各向异性材料本构假设。弹性部分选用横观各向同性本构，塑性部分选用Hill屈服准则作为材料的屈服模型； 2）设计多种材料方向的样件进行拉伸实验，验证材料本构的各向异性。打印中，通过不同摆放角度来获得不同材料方向的样件。设计并完成对五种不同打印角度0°、30°、45°、60°、90°样件的拉伸实验。实验结果显示，随着打印角度的增加，样件的弹性模量以及屈服强度也随之增加，打印后的材料各向异性明显。 3）对各向异性本构模型中横观各向同性弹性常数和Hill屈服准则的各向异性参数进行求解。整理实验数据，求出相应本构模型的材料参数。 4）使用ABAQUS软件对拉伸实验进行模拟，验证材料本构模型的正确性。运用各向异性本构的弹塑性材料参数，分别对拉伸实验进行弹塑性部分的仿真分析。结果表明，本文所选用的本构模型能很好地预测实验中的弹性模量与屈服强度。 5）将增材制造技术与拓扑优化结合，实现对汽车方向盘的拓扑优化设计。运用增材制造材料的本构模型对汽车方向盘进行了拓扑优化设计。

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