基于選擇性激光熔化的金屬多孔結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及其變密度設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“基于SLM的應(yīng)力匹配變密度輕質(zhì)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及實(shí)驗(yàn)研究”(項(xiàng)目編號(hào)：51405046)。為提升我國(guó)增材制造技術(shù)發(fā)展水平，國(guó)務(wù)院將發(fā)展增材制造技術(shù)列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》和《中國(guó)制造2025》制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。本課題針對(duì)我國(guó)航空航天、汽車(chē)工業(yè)、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)等進(jìn)一步提升比強(qiáng)度、比剛度的需求，以選擇性激光熔化(SLM)成形的金屬多孔結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，以研究多

2、孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性以及實(shí)現(xiàn)輕量化性能優(yōu)越的變密度多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，綜合運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)有限元理論、數(shù)值分析、數(shù)據(jù)挖掘以及最優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論與方法，結(jié)合微觀檢測(cè)分析和力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，在深入研究金屬多孔結(jié)構(gòu)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，建立基于數(shù)據(jù)挖掘的變密度多孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。論文主要工作如下：
　?、俑鶕?jù)Euler-Bernoulli梁理論，以BCC金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例，建立了適應(yīng)SLM成形工藝的彎曲主導(dǎo)型金屬點(diǎn)

3、陣結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)特性的理論計(jì)算方法，結(jié)果表明BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效彈性模量和初始屈服強(qiáng)度分別與其相對(duì)密度的2次方和1.5次方成正比，而與組成單元的大小和數(shù)量無(wú)關(guān)，通過(guò)建立多單元梁?jiǎn)卧ê烷_(kāi)展SLM工藝成形的鈦合金B(yǎng)CC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的正確性。
　?、谟捎?SLM成形工藝?yán)碚撋夏軌虺尚稳我馔負(fù)浜托螤畹慕饘俣嗫捉Y(jié)構(gòu)，根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)值分析理論建立了可預(yù)測(cè)任意金屬多孔結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的動(dòng)態(tài)分析方法，并以類(lèi)剛架點(diǎn)陣結(jié)

4、構(gòu)和三維空間極小曲面Gyroid多孔結(jié)構(gòu)為例，求解其在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷和沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)，求解結(jié)果表明在承受載荷時(shí)，類(lèi)剛架多孔結(jié)構(gòu)的最大 Mises應(yīng)力區(qū)域分布在桿件連接附近，而 Gyroid曲面多孔結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力區(qū)域集中在曲面的最小曲率處。
　?、坶_(kāi)展了針對(duì)多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部微小懸垂面和空間極小曲面 Gyroid結(jié)構(gòu)的外觀精度和內(nèi)部形貌的微觀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察SLM成形的微小懸垂桿件，在懸垂桿件底端觀測(cè)到顯著的球

5、化現(xiàn)象及粉末黏附，在設(shè)計(jì)金屬多孔結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量避免懸垂面特征以提升成形精度和避免明顯的加工缺陷；為評(píng)估 SLM工藝對(duì)Gyroid空間曲面多孔結(jié)構(gòu)的成形能力，綜合采用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)和微焦工業(yè) CT(micro-CT)掃描分析 Gyroid結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部形貌，根據(jù)micro-CT截面信息重構(gòu)三維模型，未發(fā)現(xiàn)明顯的翹曲變形和加工缺陷。
　?、荛_(kāi)展了 SLM工藝成形的彎曲主導(dǎo)型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件、單向增強(qiáng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件和極小曲面多孔結(jié)構(gòu)樣件的準(zhǔn)靜

6、態(tài)壓縮和沖擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬多孔結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能均隨相對(duì)密度的增加而增強(qiáng)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估梁理論求解方法、梁?jiǎn)卧獢?shù)值分析方法和動(dòng)態(tài)分析方法的適用范圍和精確度，動(dòng)態(tài)分析方法能較好的預(yù)測(cè)所有多孔結(jié)構(gòu)在載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)，然而，當(dāng)結(jié)構(gòu)相對(duì)密度增加或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜時(shí)，準(zhǔn)靜態(tài)分析方法求解的多孔結(jié)構(gòu)的彈性模量與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差逐漸增大，而利用該方法求解的多孔結(jié)構(gòu)的初始屈服強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差保持在30%以內(nèi)。
　

7、?、萏岢鲆环N基于數(shù)據(jù)挖掘的變密度金屬多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力匹配設(shè)計(jì)和尺寸優(yōu)化方法，該方法通過(guò)對(duì)所有設(shè)計(jì)單元的等效應(yīng)力條件進(jìn)行聚類(lèi)分析，對(duì)比不同劃分類(lèi)簇?cái)?shù)時(shí)求得的平均輪廓系數(shù)，得到最優(yōu)的類(lèi)簇劃分方式并以此合并局部多孔單元，以有效減小設(shè)計(jì)規(guī)模，解決了在變密度多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、求解不穩(wěn)定等難題；以三點(diǎn)彎曲梁的多孔結(jié)構(gòu)重構(gòu)為研究案例，設(shè)計(jì)單元的數(shù)目由625個(gè)減少為8個(gè)，實(shí)現(xiàn)了多孔梁的快速建模及局部尺寸優(yōu)化，得到的變密度多孔梁的體積約