3D打印蜂窝结构各向异性和屈曲研究及实验验证

发布时间：2020-11-15 11:48

　　 近年来,3D打印技术发展迅速且越来越成熟,一些传统方法难以加工的相对复杂的零件可以用3D打印技术进行制造。利用3D打印技术的这一特点,可以将其应用到汽车交通领域以及航空航天领域,加工一些精密且复杂的零部件。蜂窝结构作为一种轻质高强度的结构,可以应用到汽车以及航空航天领域,用来减轻结构的重量。Kagome蜂窝结构是一种组合蜂窝,相对于传统的六边形蜂窝结构复杂,但其性能良好。可以将其应用到汽车的蜂窝夹层材料以及航空火箭的加筋柱壳结构中。由于蜂窝结构相对复杂,传统铣削加工的方式容易引起屈曲变形,3D打印技术恰好可以解决这一难题。同时,由于Kagome蜂窝是正交各向异性的,3D打印材料也呈现正交各向异性,而各向异性是造成薄壁件屈曲以及变形的主要原因之一,通过改变Kagome蜂窝结构的各项参数,可以设计出各向同性的3D打印Kagome蜂窝结构。因此需要研究影响二者正交各向异性的力学参数。本文主要研究内容如下:(1)给出了3D打印的正交Kagome蜂窝结构的本构解析表达式。分析了正交Kagome蜂窝结构在平面内受到拉伸和剪切时的性能指标,例如杨氏模量、剪切模量以及泊松比。通过分析得到了Kagome蜂窝结构的本构矩阵以及弹性模量和各向异性率ξ、相对密度ρ两者之间的关系。(2)通过单轴拉伸试验测得3D打印材料在横向以及纵向的杨氏模量。然后,将解析表达式和实验结果相结合,我们可以预测3D打印的Kagome蜂窝的最大杨氏模量和最大剪切模量,同时还可以研究蜂窝结构的各向同性性能。通过3D打印的拉伸试验验证解析公式的正确性。我们还推导了初始屈服强度曲面和屈曲面方程。(3)通过各向同性分析,得到3D打印的Kagome蜂窝结构呈现各向同性时的各项参数。将该情况下的蜂窝结构扩展到三维筒状立体结构,也就是应用到火箭的加筋柱壳结构上,等比例缩放设计三维CAD模型,用3D打印机进行打印制造。然后进行多组单轴压缩实验,通过实验测得其力学性能参数,与其他参数的Kagome蜂窝结构的力学性能进行对比。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U466
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文主要研究内容
2 蜂窝结构3D打印与测量
    2.1 蜂窝结构的特点及其应用
        2.1.1 蜂窝结构在汽车上的应用
        2.1.2 蜂窝结构在航空航天上的应用
    2.2 3D打印技术
        2.2.1 3D打印技术简述
        2.2.2 3D打印技术的分类及其原理
        2.2.3 3D打印汽车的发展历程
        2.2.4 3D打印在汽车外形设计的应用
        2.2.5 3D打印技术在汽车零部件方面的应用
        2.2.6 3D打印技术在航空航天行业的应用
    2.3 数字图像相关方法（DIC）
        2.3.1 DIC方法研究背景
        2.3.2 DIC方法原理概述
        2.3.3 位移场和应变场测量
    2.4 本章小结
3 Kagome蜂窝力学分析与标定
    3.1 3D打印的Kagome蜂窝结构的力学性能分析
        3.1.1 Kagome蜂窝结构
        3.1.2 3D打印的面内Kagome蜂窝结构的力学性能分析
    3.2 3D打印材料弹性模量的测定
        3.2.1 实验样件的规格标准
        3.2.2 单向拉伸实验
        3.2.3 实验结果
    3.3 实验结果与各向同性分析
    3.4 验证实验
    3.5 屈曲分析
        3.5.1 初始屈服强度
        3.5.2 弹性屈曲
    3.6 本章小结
4 Kagome蜂窝加筋柱壳结构实验分析
    4.1 实验样件的设计
    4.2 实验样件的制作
    4.3 单轴压缩试验
    4.4 实验结果分析
    4.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2884723