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)計方法研究.pdf

1、課題來源于國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目“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)計理論及實(shí)驗研究”(項目編號：51405046)。為提升我國增材制造技術(shù)發(fā)展水平，國務(wù)院將發(fā)展增材制造技術(shù)列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》和《中國制造2025》制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。本課題針對我國航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械零部件設(shè)計等進(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)計等理論與方法，結(jié)合微觀檢測分析和力學(xué)實(shí)驗研究，在深入研究金屬多孔結(jié)構(gòu)的靜態(tài)及動態(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)量無關(guān)，通過建立多單元梁單元法和開展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，驗證了理論計算方法的正確性。
　?、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)動態(tài)數(shù)值分析理論建立了可預(yù)測任意金屬多孔結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的動態(tài)分析方法，并以類剛架點(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，類剛架多孔結(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_展了針對多孔結(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)部形貌的微觀檢測實(shí)驗，通過光學(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到顯著的球

5、化現(xiàn)象及粉末黏附，在設(shè)計金屬多孔結(jié)構(gòu)時應(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；為評估 SLM工藝對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。
　　④開展了 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，發(fā)現(xiàn)金屬多孔結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)性能均隨相對密度的增加而增強(qiáng)；根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)評估梁理論求解方法、梁單元數(shù)值分析方法和動態(tài)分析方法的適用范圍和精確度，動態(tài)分析方法能較好的預(yù)測所有多孔結(jié)構(gòu)在載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢，然而，當(dāng)結(jié)構(gòu)相對密度增加或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更復(fù)雜時，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)驗數(shù)據(jù)之間的誤差保持在30%以內(nèi)。
　

7、　⑤提出一種基于數(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)計和尺寸優(yōu)化方法，該方法通過對所有設(shè)計單元的等效應(yīng)力條件進(jìn)行聚類分析，對比不同劃分類簇數(shù)時求得的平均輪廓系數(shù)，得到最優(yōu)的類簇劃分方式并以此合并局部多孔單元，以有效減小設(shè)計規(guī)模，解決了在變密度多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中面臨的計算時間長、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)計單元的數(shù)目由625個減少為8個，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