Het concept en de gevaren van spanningsconcentratie
Spanningsconcentratie verwijst naar het fenomeen dat de lokale spanning bij plotselinge veranderingen in de geometrische vorm van het onderdeel (zoals gaten, inkepingen, treden, afschuiningen, enz.) veel hoger is dan de nominale spanning. De mate van spanningsconcentratie wordt uitgedrukt door de spanningsconcentratiecoëfficiënt, die wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de maximale lokale spanning en de nominale spanning. Stressconcentratie is een van de belangrijkste oorzaken van voortijdig falen van onderdelen. Vooral onder vermoeiingsbelastingen worden spanningsconcentratiegebieden vaak scheurinitiatiepunten. Vanwege de gelaagde structuur en materiaalanisotropie zijn 3D-geprinte onderdelen gevoeliger voor spanningsconcentratie en vereisen ze speciale aandacht bij het ontwerp.
Identificatie van veel voorkomende spanningsconcentratielocaties
Veel voorkomende spanningsconcentratielocaties in het ontwerp zijn onder meer: de randen van gaten, vooral de randen van ronde gaten, waar de spanningsconcentratiecoëfficiënt 2-3 kan bereiken. Bij stappen en dwarsdoorsnedemutaties zullen scherpe overgangen de stressconcentratie aanzienlijk verhogen. Inkepingen en groeven, zoals spiebanen, klikgroeven, enz. De spanningsconcentratie bij de draadwortel en de tandbodem is duidelijk. Hoeken met onvoldoende afschuiningen en afrondingen. Scherpe hoeken en randen. Eindige-elementenanalyse moet worden gebruikt om deze locaties tijdens het ontwerp te identificeren, met name geometrische discontinuïteiten langs het belastingoverdrachtspad.
Ontwerpstrategie voor optimalisatie van spanningsconcentratie
De kernstrategie om de spanningsconcentratie te verminderen is het soepeler maken van de geometrische overgang. De eerste is om scherpe hoeken te vervangen door afgeronde hoeken. Hoe groter de afgeronde hoekradius, hoe kleiner de spanningsconcentratiecoëfficiënt. Het wordt aanbevolen dat de afgeronde hoekradius niet minder is dan 10-20% van de wanddikte. De tweede is het gebruik van taps toelopende overgangen om de dwarsdoorsnedemutatie te veranderen in een taps toelopende overgang om geometrische discontinuïteit te verminderen. De derde is het vergroten van de lokale dikte, het vergroten van de materiaaldikte in de spanningsconcentratiegebieden en het verminderen van de nominale spanning. De vierde is om spanningsverminderende gaten te gebruiken en kleine gaten in de buurt van de hoofdgaten toe te voegen om de spanning te verspreiden. De vijfde is het optimaliseren van het ondersteuningsontwerp om spanningsconcentratiepunten te vermijden die achterblijven door het verwijderen van de ondersteuning. De zesde is om de printrichting zo aan te passen dat de spanningsrichting consistent is met de verbindingsrichting tussen de lagen.
Voorspelling en verificatie van de levensduur van vermoeidheid
Bij de voorspelling van de levensduur van 3D-geprinte onderdelen moet rekening worden gehouden met de anisotropie van het materiaal en productiefouten. Veelgebruikte methoden voor het voorspellen van de levensduur van vermoeiing zijn onder meer: SN-curvemethode, die de levensduur van vermoeiing onder een gegeven spanningsamplitude voorspelt op basis van testgegevens van materiaalvermoeidheid. Duurzaamheidsmethode, geschikt voor vermoeidheid bij lage cycli. Breukmechanische methode, waarbij rekening wordt gehouden met de scheurvoortplanting van initiële defecten. Vermoeidheidsanalyse van eindige elementen, waarbij spanningsanalyse en materiaalgegevens worden gecombineerd voor het voorspellen van de levensduur. De verificatietest moet de werkelijke belastingsomstandigheden simuleren, het aantal testmonsters moet voldoende zijn (meestal 5-10 per groep) en de levensduurverdeling moet statistisch worden geanalyseerd.
Uitgebreide maatregelen om de levensduur tegen vermoeiing te verbeteren
Om de levensduur tegen vermoeiing van 3D-geprinte onderdelen te verbeteren, moeten we uitgaan van veel aspecten van ontwerp, proces en nabewerking. Qua ontwerp worden scherpe geometrische kenmerken vermeden, grote afgeronde hoeken en vloeiende overgangen worden gebruikt om het lastverdelingspad te optimaliseren. Selecteer qua proces de juiste printparameters om de kwaliteit van de verbinding tussen de lagen te garanderen, poriën en defecten te verminderen en indien nodig procesoptimalisatie-experimenten uit te voeren. Wat de nabewerking betreft, wordt het oppervlak gepolijst om oppervlaktedefecten te elimineren, wordt kogelstralen uitgevoerd om drukspanning op het oppervlak te introduceren, en wordt een warmtebehandeling uitgevoerd om interne spanning te elimineren. Wat de materiaalkeuze betreft, wordt prioriteit gegeven aan materialen met goede vermoeiingseigenschappen, zoals technische harsen, nylon, metalen, enz.
Dien een model, tekening, afbeelding of schriftelijke notities in. Ingenieurs beoordelen materiaal, proces, afwerking en levering op basis van daadwerkelijk gebruik.