钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构设计与分析

研究一种具有径向和轴向孔径梯度的变形Gyroid单元多孔结构参数化设计方法,采用激光选区熔化成形(selective laser melting, SLM)技术,制备出孔隙率为60%和75%的钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构样件。使用有限元法(finiteelementmethod,FEM)对4组梯度多孔支架模型及2组均质模型进行静力学仿真分析,对制备的钛合金梯度多孔样件进行力学性能测试,并与已测试过的均质样件进行力学性能对比分析。有限元计算结果与力学性能试验结果共同表明：变形Gyroid单元多孔结构力学性能随孔隙率的升高而降低,孔隙率相同时,径向梯度多孔支架力学性能优于均质多孔支架,更适用于皮质骨的骨缺损修复,轴向梯度多孔支架力学性能相比均质多孔支架有所减弱,更适用于松质骨。     

梯度多孔结构钛合金力学性能分析

提出孔径梯度三周期极小曲面(TPMS)多孔结构参数化设计方法，基于螺旋二十四面体(Gyroid)单元构建孔隙率分别为30%、45%、60%和75%的径向和轴向梯度TPMS多孔结构模型。对模型进行有限元分析，根据分析数据建立Gibson-Ashby模型。采用选择性激光熔化成形技术制备孔隙率为60%和75%的多孔结构TC4钛合金样件，采用有限元仿真和压缩试验数据分析孔隙率和孔径梯度方向对多孔结构样件力学性能的影响。Gibson-Ashby拟合曲线表明：随着孔隙率的增大，多孔结构样件的力学性能下降；在相同孔隙率下，径向梯度多孔结构样件的力学性能优于轴向梯度多孔结构样件。压缩试验结果表明：孔隙率为60%的多孔结构样件，其力学性能优于孔隙率为75%的多孔结构样件；在相同孔隙率下，径向梯度多孔结构样件的力学性能优于轴向梯度多孔结构样件。     

钛合金变形Gyroid单元多孔结构设计与分析

三周期极小曲面（triply periodic minimal surfaces, TPMS）多孔结构研究广泛,但变形TPMS多孔结构研究较少,而变形TPMS多孔结构在一定方向上的力学性能存在潜在优势。研究Gyroid单元多孔结构的参数化设计方法,采用激光选区熔化（selective laser melting, SLM）技术制备出孔隙率为60%和75%的常规和变形Gyroid单元多孔钛合金样件。通过Micro-CT观察样件的形貌特征,内部连通性良好,未发现有明显的结构断裂和孔隙堵塞。采用Instron电子万能材料试验机进行力学压缩试验,结果表明：孔隙率为60%的变形Gyroid单元多孔结构的抗压强度相比常规Gyroid单元多孔结构增加49.3%,弹性模量增加63.5%;孔隙率为75%时抗压强度增加40.5%,弹性模量增加70.5%。研究结果表明,在相同孔隙率的情况下,长轴在压缩方向上的变形Gyroid单元结构具有更优的力学性能。     

选区激光熔化制备多孔结构的成形偏差及力学性能与压缩失效分析

因多孔结构轻质高强度、力学性能可调节的特点,被广泛用于骨骼医疗、航空航天等领域. 为了探索多孔结构选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形误差与压缩失效性能,以钻石型晶格和六孔开口球形两种多孔结构为例,采用理论预测与试验测试研究SLM制造多孔结构的压缩力学行为,使用ANSYS软件对所研究的多孔结构进行准静态压缩模拟,并对SLM成形的多孔结构进行单轴压缩试验,最后结合仿真和试验,观测和分析它们的变形过程和失效机制. 对比后发现数值设计的多孔结构尺寸与最终制造的结构存在偏差,导致力学性能理论值与试验值存在一定差异,但应力应变场变化规律一致. 试验结果表明,在孔隙率50% ~ 80%时,钻石型晶格结构屈服强度为31.85 ~ 182.13 MPa,弹性模量为1.45 ~ 2.30 GPa;六孔开口球形结构屈服强度为35.19 ~ 130.64 MPa,弹性模量为1.59 ~ 2.90 GPa,不同多孔结构随孔隙率的增大,力学性能变化趋势不一致.     

基于梯度密度的非均质蜂窝结构面外压缩性能及优化设计

提出了一种胞元相对密度呈梯度分布的非均质蜂窝结构,采用参数化设计方法建立了模型,基于试验和有限元分析,研究了梯度系数和胞元尺寸对梯度密度蜂窝结构在面外压缩条件下变形模式和力学响应的影响,并进一步对梯度密度蜂窝结构的吸能特性进行了优化设计。仿真结果表明,在面外准静态压缩条件下,梯度密度非均质蜂窝结构的变形模式与普通蜂窝相似,梯度系数对初始峰值应力的影响较小,具有一定面内正梯度的蜂窝具有更高的平台应力,结构比吸能随着梯度系数的增大而增大。蜂窝初始峰值应力随胞元尺寸的增大而小幅提高,结构比吸能随胞元尺寸的增大先减小后增大。优化结果表明,优化后的梯度密度蜂窝结构峰值冲击力下降了74.3%,比吸能提升了1.6%。     

选区激光熔化成形316L不锈钢多孔结构及力学性能

基于选区激光熔化技术(SLM),制备了BCC、FCC、FCCZ 3种不同拓扑单元的316L不锈钢多孔结构,验证了该技术成形复杂多孔结构件的可行性。对试样进行了准静态压缩试验,得到了多孔结构在压缩过程中的变形模式和力学响应曲线,对比分析了3种结构试样的力学性能。结果表明,FCCZ型多孔结构的抗压性能和能量吸收特性均优于BCC型和FCC型结构;利用ABAQUS/Explicit软件进行准静态压缩仿真,仿真结果和试验结果基本符合。     

单胞构型和结构参数对SLM成形梯度点阵结构压缩性能的影响

梯度点阵结构由于压缩时具有优秀的吸能能力,目前常作为吸能组件被应用于航天、国防和医疗等领域。但随着现代工业的发展,工程领域对其压缩性能提出了更高的要求,为使其进一步优化,有必要探讨单胞构型、结构参数和压缩性能之间的关系。因此本研究通过选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)成形了两种梯度差的AlSi10Mg变杆径梯度体心立方(Body-centered cubic, BCC)和金刚石(Diamond, Diam)结构,以研究梯度差对压缩性能的影响,并对两种单胞构型进行对比。准静态单轴压缩实验和有限元分析(Finite element analysis, FEA)的结果表明,在同相对密度下,当单胞构型相同时,随着梯度差的增加单位体积吸能量明显增加。而梯度差相同时,Diam梯度点阵结构的压缩模量、屈服强度、抗压强度和最大峰值应力均高于BCC,同时其单位体积吸能量和吸能效率也高于BCC。     

基于SLM成形的TC4钛合金点阵结构设计及压缩行为研究

采用选区激光熔化(SLM)技术成形TC4钛合金均匀与梯度点阵结构,研究了不同杆径(0.8~1.2mm)、单胞类型(bcc、fcc、fbcc)、添加竖向支杆(bccz、fccz、fbccz)对均匀与梯度形式点阵结构压缩性能及能量吸收的影响规律。结果表明：1.2mm杆径点阵结构性能最优;fccz与fbccz点阵结构分别在同质量与同体积下具有最佳的性能;竖向支杆的存在能够大幅的增强点阵结构在特定加载条件下的性能;均匀点阵结构在失效前的压缩性能与能量吸收优于相同相对密度及应变的梯度点阵结构,由于梯度点阵结构逐层断裂的特性,在50%及更大应变的状态下具有更优的性能,更适于应用在吸能装置。     

多孔钛合金拓扑优化设计及性能研究

为了得到良好力学性能和高渗透性的钛合金多孔结构,需要在多孔结构的孔隙率与其强度之间保持权衡。以人体膝关节胫骨假体为研究对象,首先,根据胫骨受力状态,采用拓扑优化设计并重构不同载荷工况下的抗压、抗剪单胞结构(TO-P1、TO-P2、TO-S1、TO-S2),与几种常见的基本单胞结构(BCC、FCC、RDC、DCC)进行研究比较;其次,通过对不同类型多孔钛合金进行压缩、剪切性能仿真,研究不同拓扑形态的多孔钛合金关于抗压、抗剪的力学性能,并采用SLM技术成型多孔钛合金压缩试件,验证了仿真分析的有效性;最后,选择力学性能较优的4种多孔钛合金进行渗透性分析。结果表明,TO-S2结构的抗压、抗剪力学性能和渗透性能最为出色,适合作为压剪载荷类植入物的多孔结构。     

基于磁滞无损技术的起重机钢梁疲劳寿命分析

针对起重机的钢梁结构的疲劳问题,选取起重机所用钢材制得3组试样进行测试,每组试样的中间标距部分标记了3个位置,随后对试样进行拉伸试验,拉伸前后分别进行矫顽力测试,对拉伸试验过程进行仿真工作,将得到的仿真应力云图与矫顽力云图进行了对比。测试及仿真结果表明：随着外加拉应力的增大,材料的矫顽力(Hc)逐渐增大,矫顽力呈现阶段性的变化规律,这可能与残余应力在材料内部产生位错的钉扎效应有关,矫顽力云图表明试样内部的晶体结构受到不同程度的破坏,矫顽力也随之增加。进一步对矫顽力与应变数据进行理论分析,得到矫顽力 应变拟合曲线与拟合方程。     

基于TPMS结构的多孔钛制备与表征

多孔钛因具有与人体骨组织相近的弹性模量和允许骨长入的孔隙结构而备受关注。其孔隙结构特征不仅影响骨长入效果,而且决定了多孔钛的力学性能。通过三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)隐函数参数的精确调控可以构建出理想的孔隙结构模型。本实验针对TPMS模型中常用的G单元模型,研究了G单元模型隐函数参数对孔隙率、孔径、杆径等孔隙结构特征的影响规律,设计出了孔隙率约为77%,孔径分别为300(G300)、500(G500)微米的均质孔隙结构;模仿自然长骨径向梯度结构模型,构建了相应的G单元仿生梯度孔隙结构。采用选区激光熔化(SLM)增材制造技术制备了相应的多孔钛样件,利用数字显微镜和扫描电镜观测多孔钛的孔隙结构特征,发现SLM多孔钛实测孔隙率低于设计孔隙率,实测孔径小于设计值,实测杆径大于设计值。力学性能检测结果显示,G300和G500多孔钛弹性模量分别为2.04和3.12GPa,其最大抗压强度分别为63.5和103.5MPa,梯度孔隙结构多孔钛弹性模量和最大抗压强度分别为6.3 GPa和186.9 MPa。研究结果表明,G单元梯度孔隙结构多孔钛是一种理想的承重部位骨缺损修复体。     

基于DIC的镍基焊材焊接接头局部力学性能研究

本文通过显微组织分析、数字图像相关技术（DIC）试验以及硬度测试,系统研究了15CrMoR母材与镍基焊材焊接接头各区域的局部力学性能。基于DIC方法获取了镍基焊材焊接接头拉伸过程的全场应变云纹发现：焊缝区域应变较小且不均匀,母材区域应变量大,热影响区均匀过渡。在此基础上构建了焊接接头不同区域的局部应力应变曲线,并揭示了焊接接头局部力学性能参数的分布规律。由焊接接头显微组织的分析可知,局部力学性能参数的分布与显微组织的分布存在密切联系。最后,结合显微硬度与强度参量在焊接接头的分布规律,构建了两者的关联方程,便于镍基焊材焊接接头局部力学参数的估算。     

Loss of Stability of Plastic Flow of Inhomogeneous Porous Structure

An algorithm for describing the statistical characteristics of structures affecting the stress-strain curve is developed for predicting deformation and failure of porous materials based on aluminum foam with strongly inhomogeneous structure. A model of deformation of a porous material with nonuniform volume fraction of pores and variance of local inhomogeneity is used to determine the effect of these parameters on mechanical properties. The concepts used in the model have been proved experimentally for skeleton structures of various types with porosity of 60 – 90%, which makes it possible to recommend the suggested characteristics of inhomogeneity for improving the process of production of porous materials.     

基于颗粒流方法的隧道围岩力学特性数值模拟研究

针对加载机制作用下深部岩石的力学特性,本文利用二维颗粒流数值模拟(PFC2D)方法,对阜新海棠山隧道围岩(砂岩)进行了不同加载速率下单轴压缩试验、巴西劈裂试验以及不同围压下的双轴压缩试验,分析了不同实验条件下砂岩的力学响应特征,研究结果表明:同一围压下,随着加载速率的逐渐增大,砂岩的单轴抗压强度、抗拉强度均呈逐渐递增趋...