基于SLM工艺的变截面四棱锥点阵结构建模与试验研究

球型增强变截面四棱锥点阵结构（Spheriform graded body-centered cubic，S-GBCC）可以有效改善常规四棱锥点阵结构（Body-centered cubic，BCC）节点应力大、梁受力不均等缺陷，是一种力学性能更优的点阵构型，但其力学特性受单胞尺寸、梁的截面特性、节点连接方式等影响。考虑变截面梁和连接球体的几何构型，完成S-GBCC点阵结构的几何拓扑分析；基于铁木辛柯梁理论建立其力学与数学模型，得到点阵尺寸参数与相对密度、等效弹性模量、等效屈服强度之间的函数关系。利用选区激光熔融（Selective laser melting，SLM）工艺制备同一相对密度条件下，不同曲率半径的S-GBCC点阵结构，分析不同规格打印试样的形貌特征，形成考虑SLM工艺成形精度影响的S-GBCC点阵结构等效力学模型。完成该点阵结构静态压缩试验，分析其形变特性和力学性能，结果表明较传统BCC点阵结构有显著提升，理论与试验结果吻合较好。     

基于3D打印的钛合金-体心立方球杆结构人工骨支架设计

针对骨支架点阵结构在节点处容易发生断裂的问题,以体心立方体(Body—centered cube,BCC)单元为研究对象,提出一种基于体心立方结构的球杆结构骨支架单胞模型,结合3D打印技术制备的多孔Ti6Al4V钛合金点阵结构模型,研究其显微结构特征与力学性能的关系。结果表明:体心立方球杆微孔点阵结构顶点球的引入,能有效降低点阵结构的应力,提高体心立方点阵结构的力学性能,并有效解决点阵结构在端点交汇处容易发生断裂的问题。     

304不锈钢多层梯度点阵结构压缩性能及梯度率影响研究

采用试验与有限元分析相结合的方法研究了变密度多层梯度点阵型金属减振结构的吸能性能。首先，以体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)结构为基础单胞，分别设计了变直径BCC(Diameter BCC, DBCC)和变角度BCC(Angle BCC, ABCC)两种梯度点阵结构，并采用选择性激光融化工艺实现了304不锈钢多层梯度结构的制备。然后，对比研究了梯度点阵结构和均匀点阵结构的压缩和吸能性能。有限元仿真和实验结果均表明，DBCC结构自压缩过程开始，低密度层带动高密度层逐层坍塌，在小应变阶段具有较高的吸能效率，而应力分布不均匀导致其力学性能和整体能量吸收大小较均匀结构大幅降低。ABCC结构小应变阶段抗压性能强，压缩至大应变阶段发生逐层塌陷，一定程度上提升了结构的吸能性能，同时增大ABCC结构梯度率可有效提高结构的弹性模量和吸能特性。     

点阵夹芯圆筒扭转稳定性的参数化分析

针对扭转载荷作用的四面体点阵夹芯圆筒,以基于等质量圆壳结构的性能增强系数为评价指标,利用有限元数值方法,对点阵杆截面形状、圆筒蒙皮厚度、单胞相对密度、单胞数目及单胞构型对结构扭转稳定性的影响进行了参数化分析。结果表明:结构扭转稳定性能受单胞相对密度和蒙皮厚度变化显著影响,但不同截面形状的等截面积实心杆点阵结构的扭转屈曲性能基本相同,包含更多的点阵单胞有利于增强结构扭转稳定性,而较小相对密度时杆长短的点阵单胞夹芯圆筒扭转性能更具优势。计算结果对点阵夹芯圆筒的设计具有指导意义。     

蒙皮点阵结构参数化及力学性能优化

针对蒙皮点阵结构的拓扑参数设计困难的问题,提出了基于胞元拓扑结构的蒙皮点阵结构建模方法,构建了蒙皮点阵结构试件的参数化建模及力学性能协同优化系统。将5种胞元构成的试件的蒙皮厚度与胞元尺寸及支柱截面半径作为优化参数,试件质量、变形和应力等设定为优化目标,使试件在分别受到压缩、弯曲、扭转载荷时具有较好的力学性能,从而得到轻质、高强度的点阵结构材料。研究得到了在各种载荷下蒙皮点阵材料的设计与优化的分析方法及各种胞元结构试件力学性能的数据,并通过实例验证了该方法的正确性及可靠性。     

基于能量均匀化的高剪切强度周期性点阵结构拓扑优化

传统多孔结构构型型式单一、缺乏科学设计方法的指导,为了从拓扑构型角度设计抗剪切性能更优的周期性点阵结构,基于拓扑优化技术,以周期性单胞为研究对象,以其切变模量最大为目标,以结构的材料用量和力学控制方程为约束条件,利用能量均匀化方法建立基于宏观力学性能的细观点阵结构的优化模型,通过改进的优化算法求解模型,得到了一种宏观上的拓扑边界清晰的周期性点阵结构。然后根据优化结果,在考虑胞元非等壁厚和横向剪切变形影响条件下进行等效材料力学性能分析,得到剪切性能关于微结构胞元几何参数的表征,同时加工制造了优化得到的周期性点阵结构,并进行了剪切力学性能测试。从理论分析和性能试验两个方面与六边形蜂窝结构相应的切变模量进行对比,结果表明,经优化得到的周期性点阵结构切变模量有大幅提升、抗剪切性能更优越。验证了所提出方法能有效地应用于周期性点阵结构抗剪切性能的优化设计。     

反Kagome点阵结构主参数分析及力学行为

为探寻力学性能更好的点阵结构,以点群理论为基础提出反Kagome点阵单胞模型,并与Kagome单胞模型进行力学性能对比分析.以结构压缩性能、剪切性能为目标,相对密度和承载能力为约束条件,运用应力应变理论确定反Kagome单胞关键参数-倾斜角度ω的取值范围.结合有限元分析结果,确定该模型在最佳力学性能下的ω取值.进行反K...     

轻质点阵夹芯结构主动换热性能影响因素分析

针对点阵夹芯结构换热性能影响因素问题,采用翅片法推导四面体型点阵结构等热流密度和等壁面温度边界条件下的努塞尔数,以此表征结构的换热性能,并与实验结果进行对比。进而讨论结构支杆长度、支杆直径、导热系数和流动方向单胞个数对结构换热性能的影响,并比较相同孔隙率下四面体型、金字塔型和Kagome型点阵结构的换热性能。结果表明,点阵结构支杆长度和流动方向单胞个数对结构换热性能影响较大,Kagome型结构换热性能明显优于其他两类。     

周期性格栅加筋结构的拓扑优化设计

应用拓扑优化技术研究了蒙皮厚度、加筋高度以及周期性格栅数对格栅加筋结构优化性能的影响。首先分析了不同蒙皮厚度和加筋高度组合下格栅优化构型的变化趋势,发现不同材料用量下具有最佳结构效率的优化结构拥有相同格栅构型。其次比较了周期性格栅数对单层和双层格栅加筋结构优化结果的影响,结果表明随着周期性格栅数的增加,结构优化性能逐渐趋于一个极限值,单刚度目标下周期性格栅数的奇偶性显著影响格栅优化构型,而刚度和频率多目标下周期性格栅数大于7×7后其对格栅优化构型的影响消失。研究结果对格栅加筋结构的格栅构型设计与选择具有指导意义。     

基于三类单胞模型的开、闭孔泡沫材料弹性性能的有限元分析

在对发泡过程进行假设的基础上,根据泡沫材料微结构的特点,建立开孔和闭孔泡沫材料的简单立方、面心立方和体心立方单胞模型,导出相对密度和胞体结构参数的定量关系.由这三类单胞模型描述的泡沫材料均具有周期性的特点,且单胞还具有结构对称性.文中利用有限元方法,在适当的边界条件下计算整个密度范围内泡沫材料的弹性模量和泊松比,数值拟合模量计算公式.通过与已有的实验资料和理论预测结果的比较,说明有限元数值计算的有效性.     

点阵板结构固有频率等效模型误差分析

点阵材料是一种新兴的轻质高强的材料，由于其具有多尺度特征，采用离散模型需要对所有板杆进行建模和网格划分，导致频率分析费时。常采用均匀化后的等效模型进行分析。主要对等效模型进行频率分析，讨论点阵材料各参数对频率的影响。以一块四边固支的仅具有面内周期性的点阵板为研究对象，分别使用离散模型和三维周期性材料均匀化等效模型、周期性板结构的均匀化等效模型，开展周期性点阵板结构的固有频率的计算，分别改变点阵板的单胞内部参数、单胞的排布个数、单胞的构型，讨论这些因素对固有频率的影响。进而，以离散模型的结果为基准，对等效模型的求解结果进行误差分析，结果显示针对具有面内周期性的点阵板结构，Mindlin等效板模型预测的固有频率误差较小。     

温度载荷下夹芯板蜂窝微结构构型与尺度对结构刚度的影响研究

建立了求解正交各相异性材料等效性能的能量法。数值模拟实验中,在材料组分比一定的情况下,通过缩放因子改变单胞尺寸,研究同种蜂窝微结构对结构力学性能影响的尺度效应;同时验证了不同多孔材料微结构构型对结构刚度的影响;在稳态温度载荷的作用下,热变形引起弯曲变形,利用微结构的构型差异和尺度效应共同作用实现结构最大挠度的控制。     

具有创新拓扑构型的周期性点阵结构抗剪切性能分析

以六边形为胞元的周期性点阵结构抗剪切能力较差,对六边形构型进行改造,并在内部嵌套菱形结构,提出了一种"Y型"周期性点阵结构;然后在考虑胞元非等壁厚的条件下,推导了周期性点阵结构的等效弹性常数计算公式;通过理论计算结果对比,"Y型"周期性点阵结构相比六边形结构剪切模量有较大提升,对六边形和本文提出的"Y型"周期性点阵结构进行数值模拟分析,表明了"Y型"结构承载性能的优越性。     

基于拓扑优化的高承载类蜂窝夹层结构设计

针对传统蜂窝夹层结构构型单一、共面方向承载性能不足的问题,以蜂窝夹层单胞体积模量最大化为优化目标,建立蜂窝夹层单胞拓扑优化模型,基于能量均匀化理论进行蜂窝夹层单胞等效属性评价,采用改进的优化准则法求解,得到结构边界清晰的类蜂窝夹层单胞,通过有限元仿真得到了所优化类蜂窝夹层结构的静力承载和抗冲击性能,并通过实验测试了所优化夹层结构的力学性能.仿真与实验对比研究表明,拓扑优化方法能有效实现类蜂窝夹层构型的创新设计,所优化的类蜂窝夹层结构在共面方向上承载性能较传统六边形蜂窝夹层结构更优.     

选区激光熔化制备Hastelloy-X合金的有限元模拟及其高温蠕变性能

基于选区激光熔化(SLM)成型原理,利用体生热率法模拟热源模型,采用ANSYS参数化设计语言实现激光热源的移动加载,通过有限元模型模拟了Hastelloy-X合金在SLM成型过程中单层瞬态温度场和熔池的形貌,并对模拟结果进行了试验验证;研究了SLM成型试样的高温蠕变性能,并与固溶态Hastelloy-X合金热轧棒材的进行对比。结果表明:体生热率法能够较好地模拟SLM成型过程中的单层瞬态温度场,计算得到的熔池尺寸和一次枝晶间距与试验结果吻合较好;在相同蠕变试验条件下,SLM成型试样的稳态蠕变速率远低于固溶态Hastelloy-X合金热轧棒材的,但二者的蠕变应力指数相近,且均主要通过位错的移动和攀移进行蠕变变形。     

一种面向热膨胀性能的公差设计方法

双材料点阵是实现热膨胀设计最有效的途径之一,然而制造误差会对热膨胀性能造成影响,传统公差理论无法保证产品性能的精确实现。提出了一种能保证双材料点阵等效热膨胀系数精确实现的功能性公差设计方法。首先,分析尺寸的热膨胀效应,根据结构热膨胀性能的极限情况进行变量分组;然后,分析尺寸敏感度,分别采用逐步降低敏感尺寸的公差等级和优先降低非敏感尺寸的公差等级两种方法对尺寸偏差优化模型进行改进;最后,通过对三种热膨胀性能的胞元进行公差设计,验证了方法的正确性。本文首次考虑了双材料结构的公差设计,建立了公差设计和结构热膨胀性能之间的关系,对双材料点阵的制造与应用具有很大的理论和实际意义。     

卫星天线臂结构优化设计的分级遗传算法

为满足刚度大、强度高、质量小的设计要求,本文针对卫星天线臂的结构优化设计提出了分级遗传算法。首先,依据设计与制造要求,将天线臂结构优化设计分解为拓扑构型与杆件尺寸两级优化问题。然后,将单元材料相对密度作为基因,整体结构的相对密度作为染色体,将刚度与质量转化为适应度函数,形成拓扑构型的遗传算法。其次,在保持拓扑构型不变的条件下,将组成拓扑构型的各杆件的剖面面积作为设计变量,杆件结构的质量作为目标函数,形成杆件尺寸优化模型,通过引入遗传算子,形成第二级遗传算法。最后,给出了某卫星天线臂结构优化设计实例,证实了本文分级遗传算法的有效性。     

选择性激光熔化零件微观结构及摩擦学性能研究

选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)快速成型是一种金属增材制造技术,316L不锈钢和Ti6Al4V(TC4)是SLM技术中使用最为广泛的材料。SLM零件的摩擦学性能对其在工程上的应用至关重要,但是相关研究较少而且未联系其显微结构对磨损机理进一步研究(尤其是润滑条件下)。使用盘-环试验机在油润滑条件下,研究SLM 316L和SLM TC4(经热处理)试件与软材料黄铜和硬材料38CrMoAl配对时的摩擦学性能,并与传统铸造方法制造(Traditional process,TP)的试件进行比较。结果表明,SLM试件存在熔池、孔隙和晶粒细化等现象,经热处理的SLM试件熔池消失、硬度变大。当与黄铜配对时,SLM试件与TP试件相比具有更低的摩擦因数和磨损率;当与38CrMoAl配对时,经热处理的SLM TC4比TP TC4具有更低的摩擦因数和磨损率。滑动摩擦初期,磨粒磨损占主导,逐渐的黏着磨损发生并占主导。SLM试件中晶粒细化等结构影响其摩擦学性能,同时试件的塑性变形程度及氧化膜对其裂纹的形成和材料的剥落影响较大。     

防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析

为提高防冲液压支架的让位吸能大小，提高防冲液压支架的安全性，设计一种点阵让位吸能装置。采用有限元仿真的方式分别研究3种典型点阵胞体的比吸能及单位质量支撑力，确定金字塔结构为最佳拓扑胞体结构。采用三因素五水平的正交实验分析胞体高度，胞体立足倾斜宽度及胞体立足直径对点阵芯体的吸能大小及支撑力的影响规律，确定最佳的胞体结构参数。通过仿真分析得到最佳结构参数的金字塔点阵吸能装置的总吸能为1 470 kJ,支撑力为4 679.76 kN,且支撑力较平稳。证明金字塔结构点阵吸能装置具有优越的吸能性，能够提高防冲液压支架的安全性。     

轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究

针对点阵材料结构设计困难的问题,建立了由长方体空间衍生的胞元结构数学模型,并构建了胞元结构和试件的参数化模型及力学性能研究系统。对5种典型胞元构成的试件通过改变胞元尺寸大小及数量或支柱截面半径,使其具有相同几何形状、外形尺寸以及质量;采用有限元法分析试件分别受到拉伸/压缩、弯曲、扭转载荷及模态的力学性能。通过研究得到胞元结构试件力学性能的数据,提出在各种载荷下点阵材料的设计方法,并通过实例验证该方法的正确性及可靠性。