三重周期最小曲面结构的力学性能研究

发布时间：2020-08-12 23:36

【摘要】：设计三重周期性最小曲面结构(triply periodic minimal surface,简称TPMS结构)泡沫金属是应用在轻质、多功能结构上的一种新方法。与以前的蜂窝和栅格结构泡沫金属不同,TPMS结构由连续和光滑的壳组成,允许大的表面积和连续的内部通道,可很好地避免应力集中。增材制造(Additive Manufacturing,简称AM)技术是一种通过CAD或SolidWorks设计模型文件,然后以逐层累加来的方式来制造实体部件的技术,也叫3D打印技术。增材制造的最新发展促进了具有很大几何复杂性和相对小尺寸部件的制造,使传统制造技术无法实现的拓扑结构的快速成型成为可能。在本文中,我们主要通过有限元仿真和试验相结合的研究方法,开展了针对两种类型的316L不锈钢TPMS结构(Primitive和Gyroid曲面,以下分别简称P和G曲面)机械性能的研究。本论文的力学仿真是通过ABAQUS6.14有限元软件来进行,运用显示动力学的算法,分别对P和G曲面全尺寸模型进行准静态压缩力学模拟,所得到的仿真结果与试验结果进行相互验证。本论文的实验部分首先是通过SLM增材制造技术制造了各种不同相对密度的TPMS结构泡沫金属,利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、万能试验机、DIC应变测量系统评估打印样品的质量和力学性能。借助仿真数值分析对两个周期结构在准静力压缩条件中的应力分布及失效模式进行了剖析。另外,以及热处理工艺对基体材料的显微组织结构和硬度的影响进行了研究。通过力学仿真和试验研究,本论文的主要总结有以下几点:(1)SEM扫描电镜结果可以为TPMS结构的打印质量提供可靠的预测,基体材料的打印密度均达到98%以上,SEM观测下在样品表面及内部均未见大量宏观孔洞和裂缝缺陷。(2)增材制造316L不锈钢标准拉伸试件表现出典型的奥氏体钢力学行为,具有较高的屈服强度(530 Mpa)及断裂伸长率(48%),这些性能与有限元模型预测结果非常一致,SEM断口处观察表明其断裂模式为延性失效模式。(3)通过有限元模型预测的P和G结构的弹性行为和后屈服力学行为与试验结果一致。仿真结果表明,G曲面结构在压缩下的所有晶胞单元上显示出相对均匀的应力分布,导致稳定的坍塌机制和能量吸收性能。相比之下,P曲面显示出45℃剪切塑性变形模式,随后是局部壁弯曲。说明TPMS结构泡沫金属的性能和变形机制很大程度上取决于晶胞的几何形状。(4)在讨论分析中还发现,在较低相对密度(?=20%)的时候P曲面的弹性模量、屈服强度、平台应力、韧性比G曲面高出115%、94%、64%、66%。在较高相对密度(?=40%)的时候,P曲面的弹性模量、屈服强度比G曲面高出15%和2%,平台应力、韧性比G曲面低出13%和10%。(5)对于不同温度热处理工况下增材制造316L不锈钢,发现在本文所用的打印工艺控制参数下,316L不锈钢激光快速成型的微观结构呈现出完全奥氏体?相结构。在650~1050℃2h热处理温度范围内,750℃所表现出来的硬度值最低,显微组织结构最佳,能够消除由于激光快速成型所造成的高内应力等问题。对于750℃热处理后的TPMS结构压缩试验表明,热处理使316L不锈钢的拉伸屈服强度降低19%,断裂伸长率提高4%。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU31
【图文】：

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导而不是弯曲主导而变形的细胞结构，n和 m 可能更接近于一样的值用公式（1-3）（1-4）进行有效的晶胞结构设计，要么手动选择适当通过实施组合的晶胞 TO方法，这样子必须知道用于所选择的晶胞结Ashby 公式 C1和 C5以及指数 n 和 m。目前，关于增材制造晶胞结构泡仅存在有限的数据。它们可以通过试验确定，通过制造和测试不同相品，然后对力学性能数据进行适当的拟合。Yan 等[31]和 Dalaq 等[42]，他们分别研究了增材制造金属和聚合物晶胞 TPMS 结构。其他方等 Dalaq等也有使用。pfer[30]等人的理论研究评估了由晶胞几何形状产生的数值量化器的潜力胞类型的力学性能。使用有限元计算的结果，他们发现 Xperc。的值之胞几何计算的参数，以及晶胞的相对体积模量。Kapfer 等人的研究的晶胞结构的力学性能的互补且可能有用的方法，一种不依赖于机限元计算的方法，但确实捕获了细胞几何形状的影响。

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图 1- 2 P 曲面立方晶胞warz’ D Surface这种表面命名为“钻石”，因为它有两个交织在一起的迷管状钻石结构形状。它有时在文献中被称为 F 表面。它可sin( )sin( )sin( ) sin( ) cos( ) cos( )cos( )sin( ) cos( ) cos( ) cos( )sin( ) 0x y z x y zx y z x y z 图 1- 3 D曲面立方晶胞

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广州大学硕士学位论文图 1- 2 P 曲面立方晶胞arz’ D Surface种表面命名为“钻石”，因为它有两个交织在一起的状钻石结构形状。它有时在文献中被称为 F 表面。它sin( )sin( )sin( ) sin( ) cos( ) cos( )cos( )sin( ) cos( ) cos( ) cos( )sin( ) 0x y z x y zx y z x y z

【参考文献】