负泊松比结构设计及选区激光熔化3D打印工艺优化研究

发布时间：2020-07-05 16:47

【摘要】：本文针对定制负泊松比(Negative Poisson's Ratio,NPR)构件进行了结构优化设计并利用选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术在具有悬垂部分的复杂结构件加工领域的优势,使用专用AlSi10Mg粉末对NPR构件进行了成形,研究了不同激光扫描速度对其成形精度和力学性能的影响规律。论文获得的主要结论如下:基于SLM成形技术,针对定制泊松比“内凹”NPR对称结构,通过添加倾斜支柱的方法完成了新颖单胞构件的结构优化设计。从内凹蜂窝NPR构件参数化建模开始,结合有限元分析方法(Finite Element Method,FEM),验证了网格细划和结果收敛性关系,通过获取追踪面位移计算得到不同支撑倾角构件的泊松比值,确定了最优支撑倾角(9°)及相应最佳内凹角(79°),实现了单胞结构参数优选,综合考虑圆角大小与应力集中等因素,提出了定量优化定制负泊松比构件结构设计新思路,并在单胞构件设计的基础上完成了多胞NPR构件的成形。采用SLM工艺成形NPR单胞/多胞两种构件,实现了单胞结构的无支撑成形,研究了不同扫描速率下其悬垂位置的成形质量,证明了倾斜支撑的添加改善了构件的成形质量,在激光功率P=300 W时,最优激光扫描速度v=2000 mm/s,成形构件熔池均匀、规则,组织致密。同时对多胞对称NPR结构SLM成形过程中的取向和支撑进行了设计及优化,研究了不同扫描速率下的成形精度,构件成形尺寸整体偏小,且与基板分离前后高度方向尺寸变化较大而水平方向浮动较小。完成SLM成形单胞/多胞构件单轴压缩试验及多胞结构的有限元分析(Finite Element Analysis,FEA),获取了单胞结构弹性阶段的应力应变曲线计算了泊松比值,由于成形质量的影响较模拟值偏小。同时也分析了多胞构件的变形失效模式,获取的最大压缩应力约为22 MPa与模拟值21.88 MPa较为吻合,对比了不同扫描速度下的局部断口形貌,研究了多胞结构整体变形失效模式。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665
【图文】：

负泊松比,结构实例

能量吸收率的结论。ElipeJCá[37]提出了 2D/3D 的拉胀几何结构 CAD(ComputerAidedDesign CAE (ComputerAided Engineering)对比研究。建立了 CAD 拉胀结构库，实现结构库动态更新及响应，完成不同拉胀几何力学性能（如泊松比，最大体积收缩率，等效杨氏模量等）的详细对比分析，为未来涉及到此类结构的设计提供有用信息和帮助。1.1.2 负泊松比结构的应用利用 NPR 结构受压收缩的特性，将其应用于汽车轮胎设计，实现不同路况和驾驶方式下的主动控制及针对性适应，如北汽集团 2014 年推出的 NPR 结构非充气轮胎（图 1.1 a），这种防爆免充气的轮胎可以保证汽车始终处于最佳行驶状态。此外，压入式紧固件中也可以利用 NPR结构的拉胀效应提高安装效率，负泊松比性能在拔出时径向膨胀，提供更大的锁紧力，从而提高紧固件的性能[38]。同样，NPR 结构也可以应用在血管扩张器以及人造血管中，利用拉胀效应使其在扩张的同时增加壁厚（图 1.1 b），提高血管耐血流脉冲冲击能力及寿命，避免因血管壁变薄导致的血管破裂问题[39]。除了这些，NPR 结构凭借着更高的损耗因子，在吸能装置和粘弹性阻尼方面也有极广的应用前景[1]。而且，NPR 泡沫特殊的弹性和吸音/波能力，也使其可以活跃在隔音材料领域以及舰船隐身技术等领域[40]。正是由于这些举足轻重的意义，对 NPR 材料和结构的研究也正从实验室理论基础研究向与实际应用结构相结合的方向迈进。

实例图,实例

是一种不同于传统去除材料的新型激光增材制造（Additive Manufacturing，AM）手段，继承了选区激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）快速制造的优点，提高了构件的成形质量，涵盖了从低熔点的塑料、树脂等高分子材料到高熔点的金属、陶瓷以及合金材料，主要朝着大尺寸构件快速成形以及复杂几何构件的精密成形两个方向发展[41]。基于铺粉方式及完全熔化/凝固机制，在通有保护气氛（氮气、氩气）的密闭腔体中，利用高能激光热源，根据构件几何形状选择性地熔化铺粉臂铺设的均匀粉末薄层（一般为 30μm~100μm），实现逐层扫描、逐层凝固，并通过层层堆积的方式，完成强度较高、形状复杂、组织细小的致密零件的加工。成形过程中具有较大的温度梯度，极快的冷却、凝固速度，再辅以支撑设计及扫描策略优化，SLM 具有精密成形传统工艺难以制备的高致密度、形状复杂、组织独特构件的能力[42]，可以帮助设计师打破设计壁垒实现功能性优先的设计理念，迎合了构件轻量化以及一体化潮流，避免了多个构件组装时所需的连接结构，既减少了成形的工序、又降低了出错的风险。目前 SLM已经被各国航空航天局用于发动机等典型零部件的研究当中，例如，美国航空航天局使用 3D 打印技术生产的涡轮泵，与传统焊接和装配技术相比，实现了构件轻量化降低了加工成本（原材料减重 45%（图 1.2 a））；还有欧洲航天局支持的 Ariane 集团设计的新一代液氧-甲烷火箭发动机（图 1.2 b）。

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