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3D打印分叉节点的承载能力及应力分布研究

更新时间: 2025-01-04 11:11:18  查看次数: 106    
SLM工艺制造的三分叉节点延展性很好,在承载力达到点3时,与铸造分叉节点相比,会出现较大的变形。在工程上,这种较大的变形是不允许的。而且在试验过程中发现,节点进入屈服平台后,变形速度很快。所以在曲线中加入节点刚进入屈服平台时的点2作为控制值。最后,把点3处节点承受的荷载与在安全范围内发生最大变形的点2处的荷载进行比较,建议把较小值(点2)作为节点的设计极限承载力。在变形的初始阶段,随着荷载的增加,各个测点的应变基本呈线性递增趋势。当加载的荷载达到最大后,3D打印节点的分管端部内侧应变值最大,其次是汇交核心区域。这说明塑性区首先出现在节点的分管端部内侧,随着荷载不断加载,汇交核心区域也进入塑性阶段。通过对图的对比分析可知,主管端部与分管端部外侧的应变值相对较小,分管端部内侧与汇交区域的应变值相对较大。这表明主管与分管汇交核心区域以及分管端部内侧大部分测点的应力较大,是应力不利位置。其它部位应力分布都相对较小。所以试验的荷载 - 应变数据表明,3D打印的树状三分叉节点的分管端部内侧与主分管交汇部分容易产生应力集中现象,节点在分管端部内侧和主分管交汇部分容易发生破坏。选用SolidWorks软件对节点进行建模,确保所建立的节点模型与实际节点一致,具有光滑过渡的外形,然后导入ANSYS中进行有限元分析。本文采用双线性硬化弹塑性的应力 - 应变关系。通过实验数据拟合得出本构模型中的参数。根据节点的实际受力情况,对节点的边界条件进行简化,其计算模型采用主管下端固定,分管端部自由,只在分管端部截面上以表面压力的方式施加轴向荷载。当节点荷载达到100kN时,从云图可以看出节点模型总体应力水平较低,最大应力值主要分布在分管端部内侧,最小应力值主要分布在分管端部外侧。当荷载达到200kN时,节点的分管端部内侧部分区域开始进入塑性状态,节点的应力水平随着荷载的增加逐渐增大,塑性区域也随之逐渐扩大。当节点承受的荷载达到300kN时,塑性区开始出现在汇交核心区域。待荷载达到最大值后,分管端部内侧和汇交核心区域的应力值都较大,出现较为明显的塑形变形,导致节点最终破坏。
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3D打印的分叉节点受压状态下的应力分布呈现出区域性特点,屈服现象首先出现在节点分管端部内侧,随着荷载不断增加,主分管的汇交核心区域也逐渐出现应力集中现象,其它部位的应力都较小,节点的分管端部内侧与节点核心区对极限承载力的影响相对其它区域较大。对节点在轴向荷载作用下的试验及有限元分析结果进行对比。试验及有限元计算都表现出3D打印的树状三分叉节点主分管交汇处核心区域与分管端部内侧产生较大的塑性变形。由于节点管壁较厚以及材料塑性性能较好,所以节点的失效往往是因为进入屈服阶段后,随着荷载不断增加,节点的塑性区迅速扩展,最终使节点产生了过度变形而不能继续受力。有限元模拟节点的荷载位移 - 曲线与试验结果对比,发现有限元模型和测试数据基本相同,而且有限元模型的失效模式与实验的失效模式相同,这表明本文所进行的有限元计算结果与试验结果具有一致性。从来看差异的平均值仅为 - 1.59%,标准偏差为7.76%。有限元模型是准确的,可用于预测轴向压缩下3D打印的树状分叉节点的性能。