北理工方岱寧院士團隊：增材制造隨機缺陷對點陣材料力學(xué)行為影響

導(dǎo)讀：金屬增材制造，尤其是選擇性激光熔化過程，在制備具有復(fù)雜組分的點陣結(jié)構(gòu)方面具有天然優(yōu)勢。但是，由于復(fù)雜的制造環(huán)境以及工藝過程，所制備的點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部往往具有大量的隨機缺陷，并且實際制備的試樣和理想設(shè)計模型存在較大偏差。

理論分析、實驗測試和數(shù)值模擬是研究點陣材料力學(xué)行為三種重要的技術(shù)手段。然而現(xiàn)有的大部分研究，當(dāng)在開展理論分析或者建立有限元模型的時候，只是強調(diào)結(jié)構(gòu)的拓撲構(gòu)型和力學(xué)性能的關(guān)系，忽略了制造過程產(chǎn)生的隨機幾何缺陷對力學(xué)性能的影響。而一旦理論或者模型預(yù)測的結(jié)果和實驗結(jié)果存在較大偏差，研究者們往往將其歸因于制造缺陷。實際上，制造過程產(chǎn)生的隨機缺陷對點陣材料力學(xué)行為具有很大影響，因此探究其影響對于結(jié)構(gòu)性能的魯棒性評估和安全可靠性的設(shè)計非常重要。

本研究探討了增材制造過程產(chǎn)生的隨機幾何缺陷對點陣材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為的影響。結(jié)合原位CT力學(xué)試驗技術(shù)，通過建立統(tǒng)計的有限元模型，分析了不同幾何缺陷對點陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、變形機理和能量吸收能力的影響。相關(guān)論文以題為“Compression experiment and numerical evaluation on mechanical responses of the lattice structures with stochastic geometric defects originated from additive-manufacturing”在線發(fā)表在Composites Part B：Engineering上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108030

和豎直桿件相比，水平桿件具有更多的隨機幾何缺陷。當(dāng)將隨機的幾何缺陷引入理想的有限元模型中時，有限元模型計算的結(jié)果能夠更好地與實驗結(jié)果相吻合。和桿件孔洞缺陷（strut porosity）和桿件彎曲缺陷（strut waviness）相比，桿件厚度變化（strut thickness variation）對結(jié)構(gòu)的性能具有更大影響。

圖1 具有不同制造方向的點陣桿件的微結(jié)構(gòu)

圖2 基于切片圖像的點陣結(jié)構(gòu)的幾何重構(gòu)過程

圖3 理想和統(tǒng)計的有限元模型

圖4 理想模型和統(tǒng)計模型預(yù)測的結(jié)果與實驗結(jié)果對比

圖5 隨機幾何缺陷對力學(xué)性能的影響

總之，本文探討了制造過程產(chǎn)生的隨機缺陷對點陣結(jié)構(gòu)性能的影響。拓寬和發(fā)展了有限元計算模型，所提出的統(tǒng)計的有限元模型方法，能夠更好地預(yù)測所制備試樣的力學(xué)性能。如果能夠?qū)⑾嚓P(guān)的統(tǒng)計的有限元模型方法運用到實際計算中，將對結(jié)構(gòu)的性能魯棒性和安全可靠性的設(shè)計評估具有很好的指導(dǎo)意義。

在北京理工大學(xué)方岱寧院士的指導(dǎo)下，博士生曹曉飛為本文的第一作者，李營副教授、肖登寶副教授為共同通訊作者。方岱寧院士爆炸毀傷與先進防護結(jié)構(gòu)小組成立于2017年，主要從事輕量化力學(xué)超材料設(shè)計制備與性能表征、先進抗爆防護材料與結(jié)構(gòu)等研究。

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