基于增材制造技术的八角桁架点阵结构冲击吸能特性研究

来源 :宁波大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luo_yanjiang1980
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点阵结构作为一种多功能材料,具有轻质高强、吸能减震、吸热隔热等优良特性,因而在汽车、航空航天等领域越来越受到重视。在实际工程应用中,点阵材料常常用作吸能装置承受外界载荷和耗散冲击动能的作用,因此研究点阵材料在动态冲击载荷下的力学响应和吸能特性有重要意义。八角桁架点阵结构(Octet-truss Lattice)是一种满足拉伸主导准则的三维点阵材料,其具有各向同性,被认为是有潜力替代泡沫和蜂窝的结构。本文旨在利用实验和有限元仿真,研究不同相对密度的八角桁架点阵结构在准静态压缩和动态冲击压缩下的力学响应、变形模式和吸能特性。主要研究内容和结论如下:利用选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)制备4种相对密度的单层八角桁架点阵结构,对其进行准静态单轴压缩实验,得到了压溃过程的变形图像和载荷-位移曲线,由此对力学响应和吸能特性进行分析。发现相对密度是影响八角桁架点阵结构力学响应的关键参数,当相对密度逐渐增大,压溃变形模式从不稳定的弯扭模式逐渐转变为稳定的屈曲模式;屈服载荷和总吸能均随相对密度单调线性增大,而比吸能随着相对密度呈现双线性增大,在相对密度30%处出现了拐折,当相对密度高于30%后,比吸能增大缓慢。开展直接撞击式霍普金森压杆实验和一级轻气炮实验,并结合瞬态有限元计算仿真对单层八角桁架点阵结构开展动态冲击压缩测试,得到其压溃过程变形图像和载荷-位移曲线。结果发现随着冲击压缩速度增大,其变形模式由对称稳定变形模式向非对称逐渐压垮模式转变;动态冲击压缩与准静态压缩相比,其载荷平台升高,表现出明显的应变率强化效应,这归因于母材GP1不锈钢的应变率效应;与准静态压缩相比屈服载荷、总吸能和比吸能都有显著提升,但变化规律与准静态单轴压缩结果一致。实际工程应用中根据防护强度的要求,需要设计不同厚度的防护结构。点阵结构是通过一层层的胞体叠加增加厚度,因此通过有限元仿真方法进一步研究了胞体层数对八角桁架点阵结构在冲击压缩下的变形模式和吸能特性的影响。结果发现多层胞体的八角桁架点阵结构变形模式与单层结构变形规律一致;随着胞体层数增加,有效行程比略微增大,总吸能单调线性增大,而比吸能几乎保持不变。
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