类桁架点阵多孔材料的研究进展

多孔材料可以减轻零件重量,同时也具有良好的传热和能量吸收性能。随着增材制造技术的发展,依照需求设计的类桁架点阵结构多孔材料的制造变得十分方便。基于类桁架点阵结构(lattice structure)多孔材料开展的零件设计和传统的零件设计不同,它具有参数众多导致设计空间庞大的特点。就常见类桁架点阵结构的单元结构类型,常见类桁架点阵结构的力学分析方法和利用类桁架点阵结构进行零件设计过程中的优化方法进行了总结并提出了对未来研究方向的思考。     

基于拓扑优化的泡沫填充点阵结构力学行为研究

采用拓扑优化方法设计刚度导向点阵结构,结合三维打印技术和泡沫填充技术,获得泡沫填充点阵结构,并结合材料试验机研究泡沫填充点阵结构在准静态压缩条件下的力学行为.研究结果表明,泡沫填充点阵结构相比未填充的点阵结构,初始压溃应力增大24％,能量吸收能力提高25％,增大和提高的幅值远大于点阵结构与单纯泡沫试件性能的叠加.通过研究确认,泡沫填充有改善点阵结构力学性能的作用.     

目标参数驱动的点阵支架逆向设计方法研究

面向微小多功能支架结构定制设计与原型制造需求,开展了基于数字光处理(Digital light procession,DLP)快速成形工艺的柔弹性点阵支架逆向设计与制备研究。基于体心立方晶胞(Body center cubic,BCC)衍生设计一款簇新胞元,利用Timoshenko梁理论对该胞元结构建立力学模型,求解其等效弹性模量,聚焦分析胞元几何参数与力学模型之间的映射规律。以空间尺寸约束下的定弹性模量点阵支架设计为主线,采用逆向分析方法,寻找匹配精准的填充方案。配制新颖柔弹性光敏树脂为成形材料,选用DLP成形工艺,实现对应点阵支架结构的高精、高效制备。结合数值模拟和物理试验,着重探讨逆向设计的点阵支架弹性模量与拟定值的差异。结果表明,仿真和试验所得结果均与拟定值基本吻合,佐证了逆向设计方法的可靠性,可为后续组织工程皮肤支架的研制提供理论基础。     

点阵材料零件双尺度CAD模型研究

点阵材料零件是由周期性的点阵桁架组成的,是具有三维有序多孔结构的零件。它的CAD模型的完整表述是增材制造过程中的基础性工作。为了改善点阵材料零件设计和增材制造中零件信息表述方面存在的设计意图丢失等问题,将点阵视为一种具有宏观等效材料属性的材料,从而将由单一材料构成、结构复杂的点阵材料零件转化为由多材料构成、结构相较简单的等效材料零件,从宏细观两个维度上描述点阵材料零件的几何/拓扑信息和材料信息,建立完善的双尺度CAD模型。     

多孔β-TCP生物陶瓷DLP打印工艺研究

β-磷酸三钙(β-TCP)具有良好的生物相容性和成骨性,是理想的骨修复材料。以β-TCP陶瓷粉末和树脂为原料制备陶瓷浆料,利用面曝光技术制造陶瓷素坯。根据热重和差热测试结果,建立陶瓷素坯脱脂和烧结工艺参数,制备出多孔β-TCP陶瓷样件。试验结果表明,成型过程中,光线散射会导致实际成型的素坯尺寸大于设计尺寸;烧结后,在成型的水平方向烧结收缩率为1%～5%,垂直方向烧结收缩率为6%～9%,并提出了烧结收缩的补偿模型。多孔陶瓷样件内部孔道结构贯通,具有大孔和微孔相结合的多孔结构,大孔孔径为400～600μm,微孔孔径为500～1 500 nm。力学测试表明多孔结构的压缩强度随孔隙率的增大而减小,G单元多孔β-TCP生物陶瓷的压缩强度最高可达16.53MPa。DLP光固化生物陶瓷打印技术可以实现复杂多孔生物陶瓷的快速高精度成型,在人体骨组织损伤修复方面有巨大的应用前景。     

面向催化剂载体应用的TiO2多孔陶瓷结构优化设计

周期性点阵结构的多孔陶瓷采用增材制造可有效解决传统粉末催化剂可回收性差和块状催化剂催化效率低的问题。由于结构特征参数与应用性能之间的复杂关系,周期性点阵结构的精确与快速设计仍是一个巨大的挑战。针对该挑战,构建了一套用于多孔陶瓷的仿真模型,采用3D打印技术成功制备了具有精细多孔结构的TiO2陶瓷样件,并通过实验实现了对仿真模型的验证和修正。在此基础上,采用单因素优化分析方法进一步探究了结构构成要素对性能的影响机制,选取角度a=153.4°、b=90°、c=45°作为最优参数设计了一种新型周期性点阵结构并进行了优化。对比结果显示,优化设计后的多孔结构的压降减小了57.2%,表面积增大了25.3%。该工作为扩展多孔陶瓷在催化剂载体领域的应用提供了一种新的结构设计方法。     

激光3D打印制备多孔结构不锈钢的组织及压缩性能研究

采用316L不锈钢粉末基于激光3D打印技术(Laser 3D printing,L3DP)制备多孔结构试样与致密试样,研究其微观组织结构及压缩性能。首先对两种试样进行显微组织分析及显微硬度测量;随后进行压缩试验,获得两种试样工程应力-应变曲线并比较其压缩性能;最后利用有限元数值模拟动态再现两种试样的压缩过程,分析变形过程中金属流动与宏观工程应力-应变曲线的内在联系。结果表明:L3DP成型多孔结构不锈钢部件内部组织具有典型的层带结构,主要由沿不同方向生长的柱状晶构成,晶粒尺寸由中心白亮组织向外逐层递增,各层带成分分布均匀且显微硬度在170~190 HV之间变化;L3DP成型多孔不锈钢部件的屈服强度为380 MPa,压缩弹性模量为23.0 GPa,具有良好强塑性匹配;压缩仿真试验显示多孔结构部件内部孔隙在应力作用下逐渐弯曲,最终由流动金属压合填充,由此导致整体空间体积减小,所以相同工程应力下多孔结构部件的工程应变较大。     

面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化

多孔结构具有轻质、散热快等特点,在航空航天、信息电子等领域应用广泛,提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度,采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型,构建了Kriging元模型,预测点阵的宏观等效热学属性,从而降低计算成本;在宏观尺度,以最小散热柔度为目标,建立了多孔结构的多尺度拓扑优化模型,引入等几何分析提高了结构性能分析的计算精度,结合等几何映射技术开展了非规则几何结构的多尺度拓扑优化设计,避免了非规则设计域中点阵裁剪导致的几何特征缺损等问题;最后,通过数值算例验证了所提出方法的有效性。结果表明,提出方法可实现非规则几何结构的散热性能优化设计,优化得到的轻质梯度多孔结构具有较好的散热性能,在实际工程中具有广阔的应用前景。     

泡孔微结构对弹性泡沫材料宏观压缩力学性能的影响分析

弹性泡沫材料是一类典型的非均质多孔材料,其宏观力学特性取决于基体材料特性和细观组成。通过构造一系列泡孔规则分布、朝向随机的椭圆形泡孔模型,以及随机分布圆形泡孔模型,采用有限元方法分析了弹性泡沫材料细观变形机制,以及泡孔形状、泡孔分布以及孔隙率等因素对弹性泡沫材料宏观压缩力学性能的影响规律。细观力学模型计算结果表明,弹性泡沫材料的单向压缩应力—应变曲线表现出泡沫材料共有的三阶段变形特性;与椭圆形泡孔模型相比,圆形泡孔模型具有较长的压缩平台段和稳定的力学性能;制备规则分布的球形泡孔结构是弹性泡沫材料微结构设计的优选方案。研究结果可用于指导弹性泡沫微结构设计。     

基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法

点阵材料是一种超轻高强的高性能多孔材料,目前主要以等密度构建点阵结构体。在实际情况下,点阵材料的各部分承受着不同的载荷,等密度点阵材料存在性能不能充分发挥的问题。针对上述问题,将拓扑优化引入点阵材料设计中,提出一种基于均匀化方法的多尺度拓扑优化方法,实现了变密度点阵结构体的优化设计,可根据实际载荷设计出最优的变密度点阵结构体,以达到最优性能。以汽车连杆为例,与现有商业软件HyperWorks采用的梁模型点阵优化方法进行对比验证。结果表明,所提出方法优化所得连杆的轻量化效果更好,应力分布更合理。该方法生成的变密度点阵结构有着更优异的性能,更适合变密度点阵结构体的优化设计。