畢業(yè)設計-基于CAE分析的簡易3D打印機設計

圖書分類號：密級：上單畢業(yè)設計(論文)基于CAE分析的簡易3D打印機設計THEDESIGNOFSIMPLE3DPRINTERBASEDONCAE學生姓名班級學院名稱專業(yè)名稱指導教師學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要奉獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承當。論文作者簽名：日期：年月日學位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，即：本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保存并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱?？梢怨紝W位論文的全部或局部內(nèi)容，可以將本學位論文的全部或局部內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。論文作者簽名：導師簽名：日期：年月日日期：年月日摘要本文首先概括介紹了3D打印技術(shù)，包括3D打印技術(shù)的開展背景、現(xiàn)狀及種類。后面介紹了3D打印機的概述，并結(jié)合3D打印機開展中所遇到的機遇挑戰(zhàn)，提出設計一款簡易的3D打印機。本文根據(jù)相應的技術(shù)指標及參數(shù)在滿足標準的情況下，對簡易3D打印機進行整體的結(jié)構(gòu)設計，設計路線按照從下至上，從外至內(nèi)的順序進行產(chǎn)品設計，具體是底座的設計、頂框的設計、支架的設計、送絲機構(gòu)的設計以及打印機構(gòu)的設計。其中在這些結(jié)構(gòu)設計中，還包括底座的強度校核及材料選擇、軸的強度校核與選型、步進電機的選型等。因簡易的3D打印機的某些結(jié)構(gòu)因受力可能變形，所以最后基于CAE技術(shù)還要對設計的簡易3D打印機的關(guān)鍵零部件進行有限元分析，結(jié)合數(shù)據(jù)，檢驗是否符合設計要求。本文研究設計的簡易3D打印機旨在將3D打印技術(shù)帶入家庭或辦公室，即使在一個小的工作空間中也可以完成3D模型的快速成型制造，所以要求它的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格經(jīng)濟，空間友好。設計中主要使用了Auto-CAD、SolidWorks、Ansys等軟件，用SolidWorks制圖軟件三維建模，Auto-CAD制圖軟件畫出二維平面圖，應力分析方面主要通過Ansys有限元分析軟件對簡易3D打印機的關(guān)鍵部件進行應力分析。關(guān)鍵詞簡易3D打印機；結(jié)構(gòu)設計；SolidWorks三維制圖；CAE分析AbstractThispaperfirstlyintroducesthe3Dprintingtechnology,thestatusquoanddevelopmentbackground,includingthetypeof3Dprintingtechnology.Aftertheintroductionofanoverviewofthe3Dprinter,andcombinedwiththedevelopmentof3DprintersOpportunities,Challengesencountered,proposedtodesignasimple3Dprinter.Inthispaper,thedesignisbasedontherelevanttechnicalindexesandparameterswhichmeetthestandard.Thesimple3Dprinterforthedesignoftheoverallstructure,routedesignisfromthehighesttothelowest,thesequenceisfromtheoutsidetotheinsideofproductdesign,specificallythedesignofthepedestal,atopframedesign,supportdesign,sendwirefeedingmechanismdesignandprintingmechanismdesign.Whichinthedesignofthestructure,includingthestrengthofthebasecheckandmaterials,shaftstrengthcheckingandselection,steppermotorselection.Forsomesimple3Dprinterstructureduetothestressdeformation.sointheend,basedonCAEtechnology,thedesignofsimple3Dprinterskeypartswerefiniteelementanalysis,analysisofdata,testwhetheritmeetsthedesignrequirements.Inthispaper,todesignthesimple3Dprinterinordertotake3Dprintingtechnologyintothehomeoroffice,eveninasmallworkingspacethesimple3Dprintercanalsocompletethe3Dmodeloftherapidprototypingmanufacturing,soithastheadvantagesofsimplestructure,convenientoperation,economicpriceandfriendlyspace.ThisdesignmainlyusedtheCAD,Solidworks,ANSYSsoftware,usingSolidworksto3DModelingSoftwareandmotionsimulation,usingCADtodrawaplanargraph,andStressanalysisfocusesonthekeycomponentsofasimple3DprinterwasanalyzedbyAnsysfiniteelementanalysissoftware.KeywordsSimple3DprinterThedesignofstructureSolidWorksCAE全套圖紙外文文獻扣扣1411494633目錄摘要IAbstractII1緒論11.13D打印技術(shù)的開展背景及現(xiàn)狀11.23D打印技術(shù)的種類11.33D打印機及簡易3D打印機的概述21.43D打印機的開展帶來的機遇和挑戰(zhàn)31.5本次設計的主要工作31.5.1簡易3D打印機指標31.5.2主要的設計工作41.5.3設計思路及主要問題42簡易3D打印機的結(jié)構(gòu)設計52.1整體結(jié)構(gòu)設計52.1.1工作原理52.1.23D打印機的組成52.1.3框架結(jié)構(gòu)52.2底座的設計62.2.1底座角件的設計62.2.2鋁型材的選擇62.2.3底座整體結(jié)構(gòu)72.3支架的設計82.3.1直線光軸許用彎曲應力的計算82.3.2直線光軸材料的選擇92.4頂框的設計102.4.1頂框角件的設計102.4.2鋁型材的選擇112.4.3頂框整體結(jié)構(gòu)112.5送絲機構(gòu)設計112.5.1擠出機座設計112.5.2U型滾動軸承的選型122.5.3快速接頭的選擇122.5.4擠出機設計及相關(guān)部件選型122.5.5送絲機構(gòu)整體機構(gòu)132.6打印機構(gòu)設計132.6.1步進電機的選型132.6.2同步輪的選型152.6.3同步帶的選取162.6.4深溝球軸承的選型162.6.5直線軸承的選型182.6.6滑動座的設計182.6.7萬向節(jié)的設計192.6.8中心平臺的設計192.6.9推桿的設計202.6.10噴頭座的設計222.6.11散熱風扇的選型222.6.12噴頭裝置的設計222.6.13打印機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)243CAE結(jié)構(gòu)分析253.1CAE技術(shù)253.2CAE軟件253.3CAE分析對象253.4Ansys有限元分析過程253.4.1前處理253.4.2有限元分析293.4.3后處理32結(jié)論36致謝37參考文獻381緒論1.13D打印技術(shù)的開展背景及現(xiàn)狀3D〔ThreeDimensions〕打印技術(shù)是一種通過材料逐層添加形成三維物體的具有劃時代變革的技術(shù)。[1]目前3D打印技術(shù)在國內(nèi)外還是一個比擬新興的領(lǐng)域，具有非常大的市場前景。另外3D打印的迅速開展同時也為現(xiàn)代制造業(yè)帶來了一場新的科技革命，因為3D打印技術(shù)不像傳統(tǒng)的機加工生產(chǎn)需要依賴生產(chǎn)的工藝性，它可以傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝直接快速成型所需要的產(chǎn)品模型。3D打印不需要任何傳統(tǒng)加工工具，能夠減少很多人力物力，所以3D打印似乎就是在替代一個人在制作產(chǎn)品。盡管3D打印有如此大的突出之處，但還不夠盡善盡美。3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，越來越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注。[2]它作為一種新興的科學技術(shù)已經(jīng)應用到很多領(lǐng)域范疇，比方現(xiàn)代制造業(yè)，醫(yī)療領(lǐng)域，航天航空領(lǐng)域，工程材料領(lǐng)域，還有化工技術(shù)領(lǐng)域等。在現(xiàn)代制造領(lǐng)域上，3D打印技術(shù)的推行使得現(xiàn)代制造業(yè)有了更多的革新，通過3D打印技術(shù)可以使產(chǎn)品制造效率不斷挺高，為現(xiàn)代制造業(yè)注入新鮮血液。在醫(yī)療領(lǐng)域上，已經(jīng)有人通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了器官的打印，打印的器官可以直接植入人體，并且不會導致排斥。在航天航空領(lǐng)域上，3D打印技術(shù)可以快速的打印出飛機的機翼以及一些結(jié)構(gòu)復雜的發(fā)動機，而這些都是傳統(tǒng)制造所不能企及的。3D打印技術(shù)經(jīng)過十多年的開展，目前3D打印機的精度可以到達0.001mm，這樣的技術(shù)幾乎可以打印出任何我們所能看得到的東西，可見3D打印技術(shù)已不復當年，現(xiàn)在的打印精度還是相當好的。目前國內(nèi)很多家做3D打印的公司都相繼研制開發(fā)了屬于自己的3D打印機，雖然機器的生產(chǎn)和銷量還不能與國外大型做3D打印的公司相媲美，但還是取得了一些階段性的突破。另外國內(nèi)生產(chǎn)的3D打印機在材料，框架結(jié)構(gòu)和打印精度上還不能夠滿足消費者的需求，這也是現(xiàn)階段國內(nèi)做3D打印公司遇到的阻力與挑戰(zhàn)。目前3D打印技術(shù)在西方國家已經(jīng)廣泛的應用到了商業(yè)、制造業(yè)。人們可以在家中完成自己的設計，通過Meshmier里的3D打印平臺效勞將模型文件送到離家最近的3D打印效勞公司，公司按照顧客的設計要求完成3D模型的打印，這如今在國外已經(jīng)形成了一個商業(yè)鏈，目前國內(nèi)還沒有開展，相信在不久的將來，國內(nèi)的3D打印技術(shù)也會不斷占領(lǐng)市場的份額，到時候3D打印一定會成為現(xiàn)在制造業(yè)不可或缺的一局部。1.23D打印技術(shù)的種類〔1〕光敏液相固化技術(shù)光敏液相固化技術(shù)SLA〔Stero-LightgraphyApparatus〕又稱光刻成型、立體印刷、或光造型等，它的工作原理就是通過紫外線照射，將液態(tài)光敏樹脂固化成型，通過層層固化而完成整個三維產(chǎn)品的制造，SLA成型工藝的特點是精度高，外表質(zhì)量好，材料利用率高，能制造出結(jié)構(gòu)復雜、外觀精細的零件產(chǎn)品，但是SLA成型工藝相應的制造本錢也非常高，而且打印零件產(chǎn)品的規(guī)格也不能太大。[3]〔2〕選區(qū)片層粘結(jié)技術(shù)選區(qū)片層粘結(jié)技術(shù)LOM〔LaminatedObjectManufacturing〕是利用反面帶有粘膠的箔材或紙材通過相互粘結(jié)而成形。在計算機的控制下，二氧化碳激光束對最上層箔材或紙材的二維截面進行掃描切割，再將輪廓外的廢料切割出方形小格，以后每粘結(jié)切割一個截面層，工作臺自動下降一個截面層，然后重復，直到整個三維零件。LOM快速成型技術(shù)特點是速度快，材料經(jīng)濟實惠，尺寸和形狀精度穩(wěn)定，沒有相變與熱應力，但成型后的廢料剝離時間較長，所以這種工藝更適用于汽車輪船、航空航天等行業(yè)中體積較大的產(chǎn)品零件成型?！?〕選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)SLS〔SelctiveLaserSintering〕是利用激光的光束能量，燒結(jié)粉末材料通過逐層添加成型的方式成型三維模型。SLS成型工藝方法的優(yōu)點是能生產(chǎn)較硬的模具；可以采用多種原料，包括工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等；零件的構(gòu)建時間短，可到達1in/h速度；無需設計和構(gòu)造支撐?！?〕熔絲沉積成型技術(shù)熔絲沉積成型技術(shù)FDM〔FuseDepositionMolding〕是通過噴頭擠出一束非常細的熱熔塑料絲，從打印平臺的最底層開始，按照切片軟件導出的二維切片程序，一層一層逐層堆積打印，最后得到設定好的三維產(chǎn)品模型。FDM成型工藝的優(yōu)點是設備簡單，工作耗能低，打印尺寸精度好，成型外表質(zhì)量高。缺點是打印需要支撐的材料，打印耗時較長。1.33D打印機及簡易3D打印機的概述3D打印機(3DPrinter)還稱作快速成型機，它與二維打印機最大的差異就是能打印出三維立體模型，它的工作原理是通過將耗材融化，然后一層一層疊加，最終形成目標3D模型。它是3D領(lǐng)域的一種前瞻性產(chǎn)品，目前成為一種潮流正迅猛開展。[4]3D打印機的操作十分便捷，首先通過電腦上的制圖軟件制作出你想要打印的3D模型，然后將3D模型導入進專業(yè)的切片軟件，再將切片程序?qū)脒M3D打印機中就可以打印出你所設計的3D模型。隨著3D打印技術(shù)的不斷成長進步與普及開展，3D打印機不僅大量地出現(xiàn)在現(xiàn)代機械制造業(yè)，而且逐漸可以應用于工業(yè)設計領(lǐng)域，汽車輪船領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域等。但是到目前為止3D打印機的所使用材料還是具有一定的限制，所以要想打印出一個結(jié)構(gòu)繁雜、材料多樣的3D模型，它的難度還是有非常之大的。當下市場上出現(xiàn)了越來越多的簡易式3D打印機，它跟一般的3D打印機最大的差異就在于它的便攜易于擺放，簡易3D打印機突破了一般3D打印機需要固定在一個空間工作的限制，這極大地提高了3D打印機的實用性和便捷性。不過要想實現(xiàn)3D打印機結(jié)構(gòu)的簡易與便捷，必須要在其結(jié)構(gòu)上多思考，需要考慮到打印結(jié)構(gòu)的設計，考慮所選材料的性能以及強度，要控制空間使其在最小的工作空間完成最大的打印空間。簡易3D打印機，它的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格經(jīng)濟，空間友好，即使在比擬小的空間下也能夠?qū)崿F(xiàn)3D模型的快速成型〔即3D打印〕，這樣可以讓3D打印機更好地走向在家庭或者辦公室，將為3D打印技術(shù)的普及帶來巨大的意義。1.43D打印機的開展帶來的機遇和挑戰(zhàn)目前3D打印機想要占領(lǐng)的市場，還需要面對很多困難與挑戰(zhàn)。其中3D打印機的制造價格，打印的耗材，打印精度，結(jié)構(gòu)設計等方面還需要很多研究突破的地方，所以說3D打印機的出現(xiàn)，既要面臨很多的困難與問題。第一，制造本錢方面。3D打印機的制造本錢比擬高，從一臺3D打印機的結(jié)構(gòu)設計到材料購置，組裝，測試校核等步驟使得3D打印機的本錢大大提高，為了普及3D打印機很多商家研制生產(chǎn)簡易的3D打印機，它的結(jié)構(gòu)簡單，能夠完成根本的3D模型成型，制造本錢低。第二，耗材方面。目前3D打印機的成型材料多為化學聚合物，打印出來的3D模型也大多是激光燒結(jié)后或者熔絲沉積后的化學聚合物，所以如果想要3D打印有著更多廣泛的應用，還需要開發(fā)不同的材料才行?？傊氤晒Φ钠占?D打印機在材料上下功夫也是不容無視的。第三，打印精度方面的問題。目前3D打印機多是FDM型的機器，它在成型的時候，精度上比不上SLA型等的3D打印機，但是精度高的機器它的制造本錢往往也大大提高，這使得3D打印機在精度與價格上出現(xiàn)了矛盾，所以對一些3D打印機打印精度的改進將會對3D打印技術(shù)有著重大意義。第四，研究開發(fā)方面。在3D打印機的開展越來越進步的同時，外界對其的要求也會越來越高。不僅僅是滿足目前打印幾個簡單的3D模型，更重要的是應用到實際的生產(chǎn)加工中，比方說面包房要打印出一些特殊的食物，醫(yī)院要打印出蛀牙患者的牙齒等，這些都要求非常高的技術(shù)。第五，市場。大家都知道開發(fā)一種產(chǎn)品除了要效勞于群眾，還有一個很重要的目的是產(chǎn)生經(jīng)濟效益。[5]要想產(chǎn)生大的經(jīng)濟效益就要占領(lǐng)足夠的市場份額，目前3D打印機不像2D打印機那么普遍?；蛘哒f3D打印機很少人會用得上，這就需要研發(fā)者研發(fā)出更多實用簡易的3D打印機走進千家萬戶。本次的畢業(yè)設計使用了CAD、SolidWorks、Ansys軟件對一款FDM型簡易3D打印機進行結(jié)構(gòu)設計、制圖和受力分析，在指導老師的指導下完本錢次畢業(yè)設計任務。1.5本次設計的主要工作1.5.1簡易3D打印機指標其中簡易3D打印機的主要技術(shù)指標有：打印的最大范圍：160mm×160mm×170mm最大打印速度：120mm/s打印量：20g/h標準型材的尺寸：20mm×20mm底座高度：47mm1.5.2主要的設計工作〔1〕底座設計；〔2〕頂框設計；〔3〕支架設計；〔4〕送絲機構(gòu)設計；〔5〕打印機構(gòu)設計。1.5.3設計思路及主要問題本次簡易3D打印機的設計，先從簡易3D打印機的整體設計入手，從簡易3D打印機的外部框架到支架，然后再送絲機構(gòu)到內(nèi)部核心打印機構(gòu)的設計，從外至內(nèi)，從下至上一步步的完成簡易3D打印機機械結(jié)構(gòu)的設計。需要解決的主要問題：設計并確定簡易3D打印機的整體外部框架結(jié)構(gòu)，以及選用的型材尺寸規(guī)格，底座零件的壓應力計算以及非標件材料的選擇。校核直線光軸的彎曲應力及彎矩，選擇適宜的光軸材料。解決簡易3D打印機的送絲機構(gòu)中擠出機以及擠出輔助非標件的設計和材料的選擇。解決簡易3D打印機的打印機構(gòu)中傳動機構(gòu)的設計及打印機構(gòu)在X、Y、Z方向運動的實現(xiàn)，還有噴頭裝置的設計?；贑AE分析，分析簡易3D打印機中重要零件所受應力的情況并校核設計的是否符合設計要求。2簡易3D打印機的結(jié)構(gòu)設計2.1整體結(jié)構(gòu)設計2.1.1工作原理本論文設計的簡易3D打印機是DIY三角洲式的3D打印機，打印機一共4有個步進電機，其中3個步進電機通過同步帶分別控制3D打印X、Y、Z三個塔上的滑動座沿光軸運動，使3D打印機的打印機構(gòu)可以在一個平行于打印臺的空間里運動。還有一個步進電機是用于送絲機構(gòu)上的，作用是將絲材送進預熱的噴頭內(nèi)，使絲材擠出成型。2.1.23D打印機的組成標準型材：20mm×20mm，200mm×9步進電機：4個同步輪：3個同步帶：3條黃銅擠出輪：1個直線光軸：6根深溝球軸承：6個直線軸承：6個M3六角螺栓+螺母：假設干非標準件：包括角件底座、角件頂框、滑動座、推桿、萬向節(jié)、中心平臺、擠出機座、噴頭座等。2.1.3框架結(jié)構(gòu)打印機的結(jié)構(gòu)主要由大小20mm×20mm的標準鋁型材構(gòu)成，底座主要由6個20mm×20mm鋁型材和3個角件底座組成，型材與角件通過M3的內(nèi)六角螺釘和螺母連接，整個底座成三角形結(jié)構(gòu)，這樣的底座穩(wěn)定性及牢固性都非常強，能夠保證3D打印機在工作時，工作平臺會很平穩(wěn)，提高3D打印機的打印精度。每個角件底座上都與2根光軸配合，光軸彼此間是平行安裝的。三角洲式3D打印機Z軸方向的傳動是通過打印機X、Y、Z三個塔的步進電機同步運行來完成的。3個套有同步輪的步進電機同時啟動，通過同步帶拉動滑動座同時上升或下降，在萬向節(jié)與推桿作用下打印機構(gòu)在Z軸方向運動。而打印機構(gòu)在XOY平面上的運動那么需要通過X、Y、Z三個塔步進電機的配合運動來完成。打印機的頂框主要由3根20mm×20mm鋁型材和3個角件頂框組成，頂框結(jié)構(gòu)與底座結(jié)構(gòu)類似，成一個三角形結(jié)構(gòu)，與光軸連接，形成一個穩(wěn)定牢固的框架。2.2底座的設計2.2.1底座角件的設計底座角件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-1，該結(jié)構(gòu)的主要作用是支撐工作平臺和連接鋁型材、直線光軸以及步進電機的。圖2-1角件結(jié)構(gòu)示意圖對于角件材料的選擇，由于底座角件主要承受3D打印機的重量，所以計算一下要計算底座角件的抗壓能力。3D打印機總質(zhì)量M=5Kg，角件總底面積A=3×1770mm^2，所受壓應力公式見式〔2.1〕[6]式〔2.1〕式中——代表壓應力；——代表壓力；A——代表底面截面面積。其中=Mg=49N。得σ=92.28Pa。PLA材料的許用抗壓應力[]=40-60MPa，這遠遠大于所需的壓應力要求，所以在底座角件材料的選擇上，我們可以選用PLA材料。而且PLA材料是一種聚乳酸，它的原料來自于植物，屬于生物可降解材料，綠色環(huán)保，同時也具有較強的硬度和剛度，并且PLA材料的零件可以通過FDM型3D打印機快速成型，極大地方便了底座角件結(jié)構(gòu)的制造。2.2.2鋁型材的選擇根據(jù)底座角件的設計，選擇2020GW型鋁型材，鋁型材性能參數(shù)表、結(jié)構(gòu)示意圖見表2-1、圖2-2。表2-1鋁型材性能參數(shù)表材質(zhì)及狀態(tài)6063T5抗拉強度180MPa屈服強度127MPa彈性模量686600MPa硬度62HB外表處理陽極氧化處理，鍍層12以上泊松比0.330圖2-22020GW鋁型材結(jié)構(gòu)示意圖2.2.3底座整體結(jié)構(gòu)底座是支撐打印平臺以及3D打印機整體的關(guān)鍵部件，綜合它的性能強度和剛度的要求，底座結(jié)構(gòu)主要由PLA底座角件與2020鋁型材通過M3的內(nèi)六角螺栓和螺母連接組成，成三角形結(jié)構(gòu)。在每個角件上端面有兩個Φ8的通孔用來裝配Φ8的直線光軸，并通過3個夾緊孔來完成直線光軸的固定。角件的內(nèi)側(cè)可以有4個Φ3的限位孔，它們的作用是用于步進電機的固定，底座框架SolidWorks裝配圖見圖2-3。圖2-3底座框架SolidWorks裝配圖2.3支架的設計2.3.1直線光軸許用彎曲應力的計算直線光軸是具有滑動軸承的引導作用，可使滑動軸承實行直線運動的產(chǎn)品。在3D打印機中，直線光軸需要引導滑動軸承使滑動座做直線運動，配合萬向節(jié)與推桿作用使打印機構(gòu)在空間內(nèi)平行于工作平臺運動，以實現(xiàn)3D打印的功能。由于本設計的簡易3D打印機所使用的直線光軸按軸的受載分類屬于固定心軸，工作時是固定不動的，只承受彎矩作用。在校核該軸強度的時候，可以按彎曲強度條件計算，實心軸的計算公式見式〔2.2〕。[6]式〔2.2〕式中d——代表直線光軸直徑；M——代表彎矩；——許用彎曲應力。為了計算光軸所受的彎矩，要對光軸進行受力分析〔見圖2-4〕。因為在3D打印機中每一個光軸的受力情況都是相同的，所以只需要對其中一根光軸進行分析，由于滑動座是在光軸上滑動的，所以它的位置是任意的，光軸的受力分析圖如下所示，這里選取任意位置C點為滑動座的質(zhì)點位置，求位于x截面位置所受的剪力與彎矩。圖2-4光軸的受力分析圖解：由平衡方程Σ=0，F(xiàn)b-=0Σ=0，-Fa-=0求得支座約束力為=，根據(jù)光軸的受力分析,光軸的剪力的剪力和彎矩都可以計算出來，即〔0<x<a〕M(x)=(0≤x≤a)剪力圖〔見圖2-5〕與彎矩圖〔見圖2-6〕如下所示。圖2-5光軸的剪力圖圖2-6光軸的彎矩圖光軸長度L：465mm根據(jù)一般光軸在相同的F作用下，C點位置于光軸中間的時候，最容易被剪斷,且根據(jù)剪力，彎矩圖，知當x=a的時候，M取最大值。令a=232.5mm，b=232.5mmF=10N==5N=a=1.1625N*M由，=本設計所選光軸直徑d為8mm，=17.12MPa。2.3.2直線光軸材料的選擇查軸的許用彎曲應力表[7]〔見表2-2〕，選擇適宜的光軸材料。表2-2軸的許用彎曲應力表軸的許用彎曲應力MPa材質(zhì)Rm〔σb〕σ+1pσ0pσ0p碳素鋼40013070405001707545600200955570023011065合金鋼80027013075100033015090鑄鋼40010050305001207040注：σ+1p、σ0p、σ0p分別為材料在靜應力、脈沖循環(huán)應力和對稱循環(huán)應力狀態(tài)下的許用彎曲應力因為直線光軸的許用彎曲應力=17.12MPa，所以根據(jù)表表2-2，Φ8直線光軸的選材可選用碳素鋼45鋼，它的抗拉強度大于600MPa；屈服強度大于355MPa，符合設計要求，45鋼力學性能參數(shù)表見表2-3。表2-345號鋼力學性能參數(shù)表45號鋼力學性能參數(shù)表抗拉強度600MPa屈服強度355MPa彈性模量210GPa泊松比0.2692.4頂框的設計2.4.1頂框角件的設計頂框角件的設計結(jié)構(gòu)上和底座角件結(jié)構(gòu)類似，它主要作用是連接固定同步帶軸承、送絲機構(gòu)、及光軸等部件。它的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-7。圖2-7頂框角件示意圖由于頂框角件與底座角件的結(jié)構(gòu)類似，而且頂框并不受載荷，所以在材料的選擇上就可以與底座角件的材料一致，選擇PLA材料，產(chǎn)品的零件可以通過3D打印，方便了制造。2.4.2鋁型材的選擇鋁型材的選擇，那么是和底座設計的鋁型材保持一致，所以也選用2020GW型鋁型材。2.4.3頂框整體結(jié)構(gòu)頂框整體結(jié)構(gòu)由3個PLA頂框角件與3根2020GW型鋁型材相互連接組成，頂框結(jié)構(gòu)與底座結(jié)構(gòu)同樣是三角形結(jié)構(gòu)，它們之間是通過Φ8直線光軸連接的，具體是用M3的內(nèi)六角螺栓和螺母通過頂框上的鎖緊孔將頂框緊固在直線光軸上，使3D打印機在外框架上成一個三棱柱的結(jié)構(gòu)，這使3D打印機的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定鞏固。在每個頂框角件上都有一個用來安裝同步帶軸承的定位孔，具體在后文會詳說，另外光軸每兩個組成一個塔，分別命名為X、Y、Z三個塔，具體見頂框結(jié)構(gòu)SolidWorks裝配圖〔見圖2-8〕。圖2-8頂框結(jié)構(gòu)SolidWorks裝配圖2.5送絲機構(gòu)設計2.5.1擠出機座設計擠出機座是送絲機構(gòu)非常重要的結(jié)構(gòu)局部，它是連接擠出機〔裝有黃銅擠出輪的步進電機〕、引絲軸承、快速接頭等零件的部件。因為擠出機座主要是連接零部件作用，對于它強度和剛度沒有太大的要求，為了方便制作，擠出機座也是選用PLA材質(zhì)，通過3D打印成型制造，擠出機座的結(jié)構(gòu)設計見圖2-9。圖2-9擠出機座結(jié)構(gòu)示意圖2.5.2U型滾動軸承的選型在擠出機座上，需要安裝一個U型滾動軸承，它的作用是為了引導和壓緊絲材用的。為了滿足設計需要，這里選用3D打印機擠出機專用的軸承即U604ZZ軸承，作為擠出機導輪；它的精密度高，運載順滑，低噪音，非常適用于桌面級3D打印機。詳細的參數(shù)規(guī)格表見表2-4。表2-4U604ZZ軸承參數(shù)規(guī)格表型號u604zz尺寸內(nèi)徑〔K〕4mm外徑(D)13mm寬度(H=W)4mmU槽底徑〔D2〕11mmU槽(R)1mm槽口寬度(C)2.1mm備注高品質(zhì)，精密軸承2.5.3快速接頭的選擇擠出機座上還需要連接一個1.75mm送料快速接頭，它的作用是連接送料管，將絲材送入到打印機構(gòu)中，按下它的快速接頭的塑料頭可實現(xiàn)快速換接。所選用的1.75mm送料快速接頭參數(shù)表見表2-5。表2-51.75mm送料快速接頭參數(shù)表名稱1.75mm送料快速接頭接口螺紋M5適用耗材1.75mm耐溫0-60〔℃〕耐壓1.5〔MPa〕2.5.4擠出機設計及相關(guān)部件選型擠出機主要是由步進電機以及黃銅擠出輪組成。它的作用是將3D打印機的絲材根據(jù)設定好的送絲速度一點一點地送進3D打印機的打印機構(gòu)中，讓經(jīng)過預熱后的打印機構(gòu)能夠正常出絲。所以擠出機中所需的步進電機需要有穩(wěn)定的輸出及其適宜的相應參數(shù)才能完成擠出機的功能，具體步進電機的選型，將在后文步進電機的選型中詳述。另外擠出機需要一個黃銅擠出輪，它是擠出機中步進電機的轉(zhuǎn)動件，為的是給3D打印機的耗材提供一個向下送絲的摩擦力。現(xiàn)在主流的桌面級3D打印機耗材都是采用的1.75mm耗材，所以這里所設計擠出機上的黃銅擠出輪選型那么是采用市場上1.75mm耗材專用的3D打印機黃銅擠出輪，也就是M11的黃銅擠出輪，它的具體規(guī)格參數(shù)見表2-6。表2-6MK8黃銅擠出輪規(guī)格表名稱MK8黃銅擠出輪規(guī)格尺寸11mm*11mm內(nèi)孔5mm齒輪部位7mm齒輪外徑111mm齒的數(shù)量26齒材質(zhì)銅2.5.5送絲機構(gòu)整體機構(gòu)將上述零件通過螺紋連接組裝，就是送絲機構(gòu)機構(gòu)的整體機構(gòu)。送絲機構(gòu)的工作原理是：3D打印機預熱后，絲材從送絲機構(gòu)的入口進入，通過擠出機與U型滾動軸承的作用，絲材以一定速度送入快速接頭口，快速接頭連接有送料管，絲材通過送料管最終送入打印機構(gòu)，完成3D打印機的打印工作。送絲機構(gòu)整體機構(gòu)SolidWorks裝配圖見圖2-10圖2-10送絲機構(gòu)SolidWorks裝配圖2.6打印機構(gòu)設計2.6.1步進電機的選型步進電機是打印機構(gòu)最重要的局部，它是整個打印機構(gòu)的動力元件。它的工作原理是將3D打印機控制電路的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，一般情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于3D打印機控制電路脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個步距角，所以它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，這樣就可以控制打印機構(gòu)進行逐層累積的3D打印工作。所以3D打印機對步進電機的選擇，就比擬嚴格。需要步進電機有穩(wěn)定輸出及適宜的參數(shù)，否那么會直接影響3D打印的精度。目前3D打印機主要采用的是42兩相混合步進電機，根據(jù)3D打印機所需步進電機的重量、步距數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)速等條件，查表2-7，經(jīng)過綜合分析，最終選取型號為42BYGH47-401A的步進電機作為打印機的動力來源。表2-742BYGH兩相混合步進電機技術(shù)參數(shù)表42BYGH兩相混合步進電機步距角1.8°溫升80℃Max環(huán)境溫度-20℃~+50℃絕緣電阻100MΩMin.,500VDC電氣強度500VAC徑向間隙0.02mm軸向間隙0.08mm最大徑向壓力30N最大軸向壓力10N電機型號

Model步矩角

Stepangel(°)機身長

MotorLengthL(mm)相電壓

RateVoltage(V)相電流

RateCurrent(A)相電阻

PhaseResistance(Ω)相電感

PhaseInductance(mH)靜力矩HoldingTorque(g)引線數(shù)LeadWire(NO.)轉(zhuǎn)動慣量RotorInertia(g.c㎡)重量MotorWeight(kg)42BYGH33-001A1.833120.3402217005350.2242BYGH33-601A1.83340.954.22.515806350.2242BYGH33-602A1.8339.60.4241515806350.2242BYGH33-603A1.833120.3138.52115806350.2242BYGH33-401A1.8332.81.332.12.522004350.2242BYGH39-601A1.83941.23.33.225906540.2842BYGH39-602A1.83960.87.56.725906540.2842BYGH39-603A1.839120.4303025906540.2842BYGH47-401A1.8472.81.681.652.844004680.3542BYGH47-601A1.84741.23.32.836006680.35所選的42BYGH47-401A步進電機它的外觀圖見圖2-11，其中長度L=47mm。圖2-1142BYGH47-401A步進電機外觀圖2.6.2同步輪的選型同步輪是安裝在42BYGH47-401A步進電機上的元件，可以帶動同步帶運轉(zhuǎn)，具有傳遞動力的作用。因為該簡易3D打印機屬于精加工類型，在選取加工類型精度比擬高的同步帶輪，依據(jù)表2-8，選取適宜的同步帶輪參數(shù)如下：齒距：2.032mm齒數(shù)：20槽寬：11mmd1節(jié)圓直徑：12.9mmd內(nèi)徑：5mmD檔邊外徑：18mmD1凸臺外徑：18mmL總長：20mm表2-8MXL,XL,L同步輪規(guī)格表MXL,XL,L同步輪規(guī)格表齒型齒數(shù)外形尺寸重量S槽寬Ed1節(jié)圓直徑d內(nèi)徑D擋圓外徑D1凸臺外徑L總長MXL齒距2.03mm20111612.95，6或6.351818200.013019.46或6.352525200.024025.95，6，6.35或83220200.04XL齒距5.08mm15111524.36.23217250.062032.36，6.35，7，8或1038260.06248.223L齒距9.53mm20212775.8106648380.2530911098680.640121.3101308012.6.3同步帶的選取根據(jù)同步帶輪的選型，在滿足嚙合的條件下，選擇MXL同步帶，相關(guān)參數(shù)如下：齒距：2.032mm齒高：0.51mm齒厚：1.14mm同步帶的二維圖見圖2-12。圖2-12同步帶的二維圖2.6.4深溝球軸承的選型深溝球軸承主要承受純徑向載荷，也能承受軸向載荷，承受純徑向載荷時，接觸角為零，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，應用廣泛。在3D打印機中，該軸承主要是支撐傳送帶的壓應力，所以主要承受的是徑向靜載荷。由于3D打印機構(gòu)中，深溝球軸承主要是承受靜載荷，所以深溝球軸承的選擇可以按額定靜載荷計算[7]，計算公式見式〔2.3〕C0=S0P0<C0r式〔2.3〕式中C0——根本額定靜載荷計算值，N；S0——平安因數(shù)，平安因數(shù)選擇見表2-9；P0——當量靜載荷，N，計算公式見表2-10；C0r——軸承尺寸及性能表中所列徑向根本額定靜載荷，NC0a——軸承尺寸及性能表中所列徑向根本額定靜載荷，N表2-9旋轉(zhuǎn)軸承平安因數(shù)旋轉(zhuǎn)軸承平安因數(shù)使用要求和載荷性質(zhì)S0球軸承滾子軸承對旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性要求較高，或承受強大的沖擊載荷1.5?22.5?4正常使用0.5?21?3.5對旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性要求較低，沒有沖擊和震動0.5?21?3表2-10當量靜載荷計算公式當量靜載荷計算公式軸承類型計算公式說明向心軸承α=0的向心滾子軸承徑向當量靜載荷P0r=FrFr——徑向載荷向心球軸承和α≠0的向心滾子軸承P0r=X0Fr+Y0FaFa——徑向載荷P0r=Fr3二式中的較大值推力軸承α=90°的推力軸承軸向當量靜載荷P0a=FaX0——徑向靜載荷系數(shù)α≠90°的推力軸承P0a=2.3Frtanα+FaY0——軸向靜載荷系數(shù)根據(jù)表2-8，徑向當量靜載荷載荷P0r的公式:P0r=X0Fr+Y0Fa根據(jù)表2-9，S0取2計算深溝球徑向當量動載荷時，X0=0.6，Y0=0.5；即P0r=0.6Fr+0.5Fa且當P0r<Fr時，取P0r=Fr因為3D打印機同步帶繃緊時，對深溝球軸承的徑向壓應力約100N；軸向應力可忽略不計。所以P0r=Fr=50NC0=S0P0=S0P0r=S0Fr=2×10=200N根據(jù)根本額定靜載荷的計算，查機械設計手冊第二卷P1055的深溝球軸承技術(shù)參數(shù)表〔見表2-11〕，選擇適宜的深溝球軸承。表2-11深溝球軸承技術(shù)參數(shù)表深溝球軸承技術(shù)參數(shù)表根本尺寸/mm根本額定載荷/kN極限轉(zhuǎn)速/r*min-1質(zhì)量/kg軸承代號其他尺寸/mm安裝尺寸/mmdDBC0r油W60000型d2D2RmindaminDamaxramax71450.5400000.0024628/79120.158.212.80.151750.8380000.0057619/79.614.40.39.415.20.31961.08360000.00760710.715.30.39.416.60.32271.35340000.01462711.818.20.39.419.60.381650.65380000.004628/810.8140.39.614.40.21960.92360000.0085619/811160.310.417.20.32271.38340000.01560811.818.20.310.419.60.32481.4320000.01662812.819.20.310.421.60.3續(xù)表2-1191750.72360000.0042628/911.114.90.210.615.40.22061.08340000.0092619/912170.311.418.20.32471.4300000.01660914.219.20.311.421.60.32681.95300000.01962914.421.10.311.423.60.3最后，綜合頂框設計以及C0的值，根據(jù)表2-11，選擇628/8型深溝球軸承作為傳送帶軸承。2.6.5直線軸承的選型直線軸承是套在光軸上滑動的軸承，它的作用是引導滑動座做平行于光軸的直線運動，它的選型要根據(jù)光軸的尺寸規(guī)格來進行確定，直線軸承規(guī)格表見表2-12。表2-12直線軸承規(guī)格表型號球列數(shù)主要尺寸根本額定載荷內(nèi)徑外徑長度外止動槽W動靜dr公差D公差L公差B公差D1LM6LUU46012035027011.51.13354LM8LUU4815-0.013453514.31.14480LM10LUU410-0.0119055-0.344-0.3181.360112LM12LUU412215746201.383160由于所設計的光軸直徑是Φ8，所以根據(jù)表2-8，選擇LM8LUU的直線軸承為滑動座軸承。2.6.6滑動座的設計滑動座通過扎帶可與直線軸承裝配在一起，可以沿著光軸自由地運動，同步帶的兩端分別用扎帶綁在滑動座的兩頭，隨著3D打印機X、Y、Z三個塔上步進電機動作，滑動座就會沿著光軸做垂直上升或者垂直下降的運動，滑動座的材料選用PLA材料，方便3D打印制造，圖2-13是滑動座結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-13滑動座結(jié)構(gòu)示意圖2.6.7萬向節(jié)的設計萬向節(jié)是實現(xiàn)變角度動力傳遞的機件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，它相當于3D打印機的“關(guān)節(jié)”部件，通過推桿與萬向節(jié)的連接，X，Y，Z三個塔上滑動座上下滑動的運動會轉(zhuǎn)化成打印機構(gòu)中的中心平臺和噴頭在一圓柱空間的運動。這種特制的萬向節(jié)材料也選用PLA材料，強度和硬度較好，可以3D打印成型，萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-14。圖2-14萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖2.6.8中心平臺的設計中心平臺主要作用是用于噴頭裝置的定位，它在結(jié)構(gòu)上也采用三角形結(jié)構(gòu)，中心平臺上裝有6個萬向節(jié)，通過推桿可以將中心平臺與滑動座連接在一起，X、Y、Z塔上的步進電機控制滑動座上下運動可使中心平臺在一個圓柱空間內(nèi)平行于打印平臺自由運動。由于中心平臺的所受的力并不大，所以中心平臺在材質(zhì)上的選擇，也能選用PLA材料，便于3D打印制造，中心平臺的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-15。圖2-15中心平臺的結(jié)構(gòu)示意圖2.6.9推桿的設計推桿主要的作用是連接滑動座和中心平臺兩者之間的萬向節(jié)的，通過推桿的連接，滑動座可以控制中心平臺和噴頭裝置在一圓柱空間運動。在推桿的設計中，要通過計算來確定推桿的長度L。為了計算推桿的長度L的最長距離，選擇一個最極限的位置〔中心平臺置于打印平臺中央見圖2-16〕進行計算，再將3D模型簡化成二維的數(shù)學模型，得到圖2-17，根據(jù)圖2-17可以求出推桿的長度L。圖2-16中心平臺置于打印平臺中央圖2-17簡化后的二維數(shù)學模型根據(jù)勾股定理，L2=(398-H)2+(110-22.5)2因為所設計的3D打印機的打印高度為170mm，且滑動座的高度是45.5mm。所以根據(jù)要求398-170≤H≤398-45.5即228≤H≤352.5所以Lmax==244.2mmLmin==98.6mm所以桿長L可在98.6~244.2選擇適宜的值，本設計中L取=185。具體推桿設計如下列圖所示〔見圖2-18〕。圖2-18推桿結(jié)構(gòu)示意圖2.6.10噴頭座的設計噴頭座主要是用來安裝噴頭裝置的，噴頭座口可以通過螺紋連接將噴頭裝置鎖在噴頭座上，另外噴頭座設計有可與中心平臺連接的孔，通過螺紋連接可以使兩者安裝在一起，使噴頭裝置可以隨著中心平臺進行運動，當X、Y、Z塔三臺步進電機動作時，噴頭裝置會在一個空間圓柱內(nèi)運動，完成3D打印工作。噴頭座的材料選擇，選用PLA材料，便于3D打印制作。噴頭座的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-19。圖2-19噴頭座結(jié)構(gòu)示意圖2.6.11散熱風扇的選型在噴頭座上需要安裝一個散熱風扇，用于給噴頭機構(gòu)的散熱器散熱，防止耗材在散熱器中融化凝固堵塞送絲通道。本次畢業(yè)設計選用的是桌面級3D打印機常用DFS300612H型的散熱風扇，它的具體參數(shù)見表2-13表2-13DFS300612H型散熱風扇名稱DFS300612H額定電壓〔V〕12額定電流〔A〕0.12轉(zhuǎn)速〔RPM〕10000風量〔CFM〕3.402.6.12噴頭裝置的設計噴頭裝置是FDM型3D打印機最關(guān)鍵的局部，它主要由快接頭、散熱器、加熱鋁塊，噴頭等組成，如圖2-20所示。首先絲材通過送料管送進快速接頭，然后進入散熱器，通過鐵氟龍喉管后接著進入噴嘴，加熱頭可以給加熱鋁塊和裝配在其上的噴嘴供熱，使絲材在噴嘴里被熔融，然后通過送絲機構(gòu)的擠出作用，絲材從噴頭連續(xù)地被擠出，經(jīng)過層層堆積而到達快速成型的結(jié)果。如圖2-20噴頭裝置結(jié)構(gòu)組成噴頭裝置主要零件的選擇及作用：〔1〕快速接頭選擇1.75mm送料快速接頭，它的使用方法與送絲機構(gòu)所選用的快速接頭一樣，它們之間通過送料管連接，可以將打印機構(gòu)與送絲機構(gòu)連接起來?！?〕散熱器選擇直徑為36mm，高度為60mm的散熱器，它的作用主要是給未進行打印工作的絲材降溫，防止絲材因加熱鋁塊和加熱頭所傳遞的熱量而軟化彎曲堵塞送料通道?！?〕鐵氟龍喉管，是高耐熱的連接管，總長度是30mm，具有M6的螺紋，通過螺紋連接可以將加熱鋁塊與散熱器連接在一起，管內(nèi)允許直徑為1.75mm耗材穿過，對耗材具有一定的導向作用，將耗材更準確地送入噴頭〔4〕加熱頭與加熱鋁塊，主要起到給打印噴頭加熱的作用，工作原理是加熱頭根據(jù)3D打印機設定的溫度進行加熱，熱量會迅速擴散到加熱鋁塊中，然后加熱鋁塊將熱量再傳遞給噴頭，以融化耗材?！?〕噴頭那么是選用3D打印機常用的0.4mm銅質(zhì)噴頭，導熱性能好，可以在短時間內(nèi)將熱量傳遞給耗材，將耗材融化，進行3D打印，銅質(zhì)噴頭的零件圖〔見圖2-21〕如下所示。圖2-21噴頭零件圖噴頭裝置的SolidWorks三維裝配圖見圖2-22。圖2-22噴頭裝置的SolidWorks三維裝配圖2.6.13打印機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)打印機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)主要由步進電機、同步輪、同步帶、滑動座、萬向節(jié)、中心平臺等構(gòu)成的傳動裝置和由快速接頭、散熱器、加熱鋁塊、噴頭構(gòu)成的噴頭裝置兩大局部組成。根本的工作原理就是通過X、Y、Z三個塔的步進電機聯(lián)動，使3D打印機的打印機構(gòu)在一個圓柱空間運動，再通過3D打印機的噴頭裝置讓耗材連續(xù)從噴頭擠出，通過層層堆積而快速成型。綜上，簡易3D打印機的全部機械結(jié)構(gòu)就已全部設計完畢，如下所示是簡易3D打印機的整體裝配圖〔見圖2-23〕。圖2-23簡易3D打印機的整體裝配圖3CAE結(jié)構(gòu)分析3.1CAE技術(shù)CAE〔ComputerAidedEngineering〕是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法，它作為一項跨學科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來越受到科技界和工程界的重視。[8]隨著計算機輔助技術(shù)的推廣和進步，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有著極大地提高，各種基于數(shù)字三維建模的CAE系統(tǒng)應運而生，并現(xiàn)已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時也是計算機輔助4C系統(tǒng)〔CAD/CAE/CAPP/CAM〕的重要環(huán)節(jié)。3.2CAE軟件CAE軟件是迅速開展中的計算力學、計算數(shù)學、工程科學、工程管理學與現(xiàn)代計算技術(shù)相結(jié)合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。常用的CAE分析軟件如Ansys、Abaqus、Adina、MSC等，本次畢業(yè)設計所使用的CAE分析軟件就是Ansys有限元分析軟件。Ansys是一款功能強大的有限元分析與優(yōu)化設計系統(tǒng)，可用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。它現(xiàn)在已廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等領(lǐng)域。[9]3.3CAE分析對象本畢業(yè)設計的簡易3D打印機，在所有零件結(jié)構(gòu)中，Φ8直線光軸和懸掛著送絲機構(gòu)的2020GW鋁型材是最容易出現(xiàn)斷裂，折彎的地方，所以本設計主要的CAE分析對象就是Φ8直線光軸和懸掛著送絲機構(gòu)的2020GW鋁型材。3.4Ansys有限元分析過程有限元分析主要要經(jīng)過前處理、有限元分析、后處理這三大過程，本節(jié)主要以校核Φ8直線光軸所受的應力和變形為例來介紹說明Ansys分析的整個過程。3.4.1前處理前處理主要是對工程或產(chǎn)品進行建模，建立合理的有限元分析模型，具體步驟如下：第一步：導出模型。先將已建好模型的SolidWorks文件導出為Ansys軟件能識別的文件格式，將做好3D建模的直線光軸保存為.x_t文件格式即Parasolid模型文件〔見圖3-1〕。圖3-1將SolidWorks原模型文件轉(zhuǎn)化為Parasolid文件第二步：導入模型。翻開Ansys13.0軟件，點擊File控件，通過Import將Φ8直線光軸的Parasolid文件導入進Ansys13.0軟件中，修改PlotCtrl—Style—SolidModelFacet將StyleOfAreaAndVolumePlots的屬性更改成NormalFaceting，再點擊Plot，選擇Volume，得到Φ8直線光軸的Ansys實體模型〔見圖3-2〕。見圖3-2Φ8直線光軸的Ansys實體模型第三步：設定分析模塊。點擊Preference，進行優(yōu)選項的設置，由于本次畢業(yè)設計只涉及力學結(jié)構(gòu)性能的分析，所以只選擇Structural選項即可〔見圖3-3〕。圖3-3設置優(yōu)選項設置第四步：設定單元類型相應選項。在預處理器中，設定單元類型。點擊Preprocessor，選擇ElementType的Add/Edit/Delete，選擇Solidbrick20node186，點擊OK〔見圖3-4〕。圖3-4設定單元類型第五步：定義材料屬性。點擊Preprocessor里的MaterialModels，選擇Structure—Elastic—Isotropic，設置材料的彈性模量和泊松比。由于設計所選用的Φ8直線光軸的材料是優(yōu)質(zhì)碳素鋼45鋼，且根據(jù)表2-3可知45鋼的彈性模量為210000MPa，泊松比為0.269。最后將數(shù)據(jù)依次填入EX與RPXY表格中〔見圖3-5〕。圖3-5定義材料屬性第六步：對幾何模型劃分網(wǎng)格。點擊Preprocessor里的Meshtool，選擇SmartSize，細分等級選擇6級，Mesh下拉框選擇Volumes，選擇Φ8直線光軸實體〔見圖3-6〕，再點擊Mesh，將導入的Φ8直線光軸實體智能網(wǎng)格化處理，最后得到網(wǎng)格的化Φ8直線光軸模型〔見圖3-7〕。圖3-6對幾何模型劃分網(wǎng)格圖3-7網(wǎng)格化的Φ8直線光軸模型3.4.2有限元分析有限元分析的過程在前處理之后，它主要是對有限元模型進行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統(tǒng)求解和有限元結(jié)果生成，具體步驟如下。第一步：添加約束條件。在求解器中設定模型的約束條件，由于直線光軸在簡易3D打印機中兩端是固定的，所以在Ansys中Φ8直線光軸的兩個端面就是需要約束的對象。點擊Solution，選擇Apply—Structure—OnAreas，選擇Φ8直線光軸的兩個端面〔見圖3-8、圖3-9〕，通過ALLDOF指令將這兩個端面完全約束〔見圖3-10〕。圖3-8選擇Φ8直線光軸一約束平面圖3-9選擇Φ8直線光軸另一約束平面圖3-10建立完全約束第二步：施加載荷。在設定完約束條件后，緊接著對Φ8直線光軸施加應力載荷。由于在3D打印機中Φ8直線光軸主要承受的是簡易3D打印機打印機構(gòu)的動載荷，不宜求解，所以簡化數(shù)學模型，將問題轉(zhuǎn)化成求解最易受折彎的地方的靜態(tài)壓應力分析。點擊Pressure—OnNodes，選取Φ8直線光軸中部一半的曲面作為應力作用范圍〔見圖3-11〕，且給這個位置給予一個較大的壓應力約為0.04MPa，再點擊OK完成載荷的設置〔見圖3-12〕。圖3-11應力作用范圍圖3-12設定壓應力的值第三步：運算求解。設定完約束條件和負載后，就可以對模型進行運算求解。點擊Solve，選擇CurrentLS，單擊OK完成求解過程〔見圖3-13，圖3-14〕。圖3-13進行運算求解圖3-14運算求解完成3.4.3后處理后處理：根據(jù)工程或產(chǎn)品模型與設計要求，對有限元分析結(jié)果進行用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供應用戶，輔助用戶判定計算結(jié)果與設計方案的合理性，具體如下。[10]第一步：觀察應力形變圖。點擊GenralPostroc，選擇PlotResult—DeformedShape，選擇保存原模型和形變后的模型的應力形變圖，得到如下的Φ8直線光軸應力形變圖〔見圖3-15〕。圖3-15Φ8直線光軸應力形變圖根據(jù)圖3-