在傳統(tǒng)的有限元分析中，我們在分析開始時(shí)就定義了幾何形狀，并假設(shè)它可能變形，但材料的數(shù)量保持不變。增材制造（Additive manufacturing）屬于連續(xù)添加材料的過程。如果需要對增材制造的傳熱過程進(jìn)行研究，我們可以發(fā)現(xiàn)熱量會(huì)隨著空間與時(shí)間的變化而改變。因此，對于此過程的模擬我們一般需要定義繁雜的參數(shù)并編寫相應(yīng)的子程序。為此，Abaqus提供了AM插件以方便增材制造過程的模擬。下面通過髖關(guān)節(jié)植入物L(fēng)DED增材制造實(shí)例，簡要介紹這一插件的使用。

髖關(guān)節(jié)植入物LDED增材制造實(shí)例：

髖關(guān)節(jié)植入物

激光直接能量沉積（LDED）是一種常見的增材制造方式，其原理是是將熔化的材料通過逐層堆積的方式制造特定形狀的零件。LDED定制復(fù)雜髖關(guān)節(jié)植入物已經(jīng)得到了廣泛的臨床應(yīng)用。

LDED增材制造過程示意圖

AM模型

增材過程中，往往伴隨著復(fù)雜的熱力學(xué)變化，這些變化又都與溫度有關(guān)。因此需要大量數(shù)據(jù)參數(shù)來模擬這一過程。Abaqus增材制造插件已經(jīng)開發(fā)了各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以指導(dǎo)CAE中關(guān)鍵字的定義，以便將數(shù)據(jù)發(fā)送到子程序進(jìn)行模擬。

安裝插件后，可以通過選擇插件-> AM Modeler（顯示/隱藏）來使AM Modeler可見，右鍵單擊開始創(chuàng)建AM模型。選擇“ Abaqus Builtins”選項(xiàng)，則預(yù)定義的類型將可用，否則將需要自己定義類型。本例在此處使用預(yù)定義的類型。

創(chuàng)建AM模型

AM模型在“ AM建模器”選項(xiàng)卡中可見，其主要包括數(shù)據(jù)設(shè)置、模型設(shè)置和仿真設(shè)置三大部分。數(shù)據(jù)設(shè)置的內(nèi)容最為廣泛，其中包含不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型，如參數(shù)表，屬性表和事件系列。

“ AM建模器”選項(xiàng)卡

事件系列

事件系列主要以時(shí)間和空間相關(guān)的方式定義數(shù)據(jù)，其大多是幅值曲線和路徑的組合，其主要結(jié)構(gòu)是：

time_1，x_1，y_1，z_1，field_value1_1 [，…]

time_2，x_2，y_2，z_2，field_value1_2 [，…]

事件系列類型可以由用戶定義，但是也有預(yù)定義的選項(xiàng)。該類型將以“ ABQ_AM”開頭。本例包含兩個(gè)事件系列，分別用于定義材料沉積路徑和激光路徑。每個(gè)事件系列都有一個(gè)字段值，對于物料路徑，該值為1或0，表示正在沉積（1）或不沉積（0）的材料；對于激光路徑，這表示激光的功率。對于隨后的兩行，第一行的字段值保持不變，直到到達(dá)第二行的點(diǎn)為止。

事件系列定義

參數(shù)表

參數(shù)表用于對不依賴于時(shí)間，空間或材料狀態(tài)的特定參數(shù)進(jìn)行分組。對于某些常見的增材制造過程，預(yù)定義了所需的參數(shù)表類型。事件系列可以是參數(shù)表中的參數(shù)。本例中使用的幾種預(yù)定義的參數(shù)表類型如下。

參數(shù)表類型定義

屬性表

屬性表用于定義相關(guān)參數(shù)。參數(shù)可以取決于溫度，場和狀態(tài)相關(guān)的變量。可以通過這種方式定義諸如材料特性之類的參數(shù)。

屬性表類型的定義

表集合

表集合可以用來封裝參數(shù)表或?qū)傩员怼＿@樣，可以將它們封裝在一起以便在子程序中進(jìn)行引用。LDED示例中，使用了兩個(gè)表集合。一個(gè)將描述材料的沉積，另一個(gè)將描述熱量的輸入。在AM Modeler中，我們可以根據(jù)先前定義的類型（在本例中為預(yù)定義的類型）創(chuàng)建參數(shù)表和屬性表。下圖中給出了定義類型為“ ABQ_AM.MaterialDeposition”的參數(shù)表的示例。可以在多個(gè)方框中打勾，以定義表集合中不同類型的屬性表和參數(shù)表。

定義物料輸入表集合

模型設(shè)定

通常，獲取數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行定義是工作量最大的部分。完成此操作后，我們可以通過模型設(shè)置-> AM零件選擇要包含在AM分析中的零件。還可以可視化事件系列。然后，可以查看在幾何分析中使用的路徑。

AM Modeler中的“查看事件”選項(xiàng)

仿真設(shè)置

最后，指定用于定義物料到達(dá)的表集合和用于定義加熱的表集合，同時(shí)定義對流和輻射。AM Modeler界面目錄如下所示。

AM Modeler界面

運(yùn)行分析

運(yùn)行作業(yè)時(shí)，首先運(yùn)行熱分析，然后進(jìn)行應(yīng)力分析。我們看到在分析過程中添加了材料，由于熱通量引起的溫度變化以及由于溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。

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