基于選擇性激光熔化的金屬多孔結構力學特性及其變密度設計方法研究.pdf

1、課題來源于國家自然科學基金青年科學基金項目“基于SLM的應力匹配變密度輕質金屬點陣結構設計理論及實驗研究”(項目編號：51405046)。為提升我國增材制造技術發(fā)展水平，國務院將發(fā)展增材制造技術列入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》和《中國制造2025》制造強國戰(zhàn)略。本課題針對我國航空航天、汽車工業(yè)、機械零部件設計等進一步提升比強度、比剛度的需求，以選擇性激光熔化(SLM)成形的金屬多孔結構為研究對象，以研究多

2、孔結構的力學特性以及實現(xiàn)輕量化性能優(yōu)越的變密度多孔結構的優(yōu)化設計為目標，綜合運用材料力學、結構力學、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)化設計等理論與方法，結合微觀檢測分析和力學實驗研究，在深入研究金屬多孔結構的靜態(tài)及動態(tài)力學特性的基礎上，建立基于數(shù)據(jù)挖掘的變密度多孔金屬結構設計方法。論文主要工作如下：
　?、俑鶕?jù)Euler-Bernoulli梁理論，以BCC金屬點陣結構為例，建立了適應SLM成形工藝的彎曲主導型金屬點

3、陣結構的靜態(tài)力學特性的理論計算方法，結果表明BCC點陣結構的等效彈性模量和初始屈服強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，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點陣結構樣件的準靜態(tài)壓縮實驗，驗證了理論計算方法的正確性。
　　②由于 SLM成形工藝理論上能夠成形任意拓撲和形狀的金屬多孔結構，根據(jù)動態(tài)數(shù)值分析理論建立了可預測任意金屬多孔結構力學性能的動態(tài)分析方法，并以類剛架點陣結

4、構和三維空間極小曲面Gyroid多孔結構為例，求解其在準靜態(tài)壓縮載荷和沖擊載荷下的力學響應，求解結果表明在承受載荷時，類剛架多孔結構的最大 Mises應力區(qū)域分布在桿件連接附近，而 Gyroid曲面多孔結構的最大Mises應力區(qū)域集中在曲面的最小曲率處。
　?、坶_展了針對多孔結構內部微小懸垂面和空間極小曲面 Gyroid結構的外觀精度和內部形貌的微觀檢測實驗，通過光學顯微鏡觀察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，在設計金屬多孔結構時應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空間曲面多孔結構的成形能力，綜合采用光學顯微鏡觀測和微焦工業(yè) CT(micro-CT)掃描分析 Gyroid結構的表面及內部形貌，根據(jù)micro-CT截面信息重構三維模型，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型點陣結構樣件、單向增強點陣結構樣件和極小曲面多孔結構樣件的準靜

6、態(tài)壓縮和沖擊實驗，發(fā)現(xiàn)金屬多孔結構的靜態(tài)、動態(tài)力學性能均隨相對密度的增加而增強；根據(jù)實驗數(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測所有多孔結構在載荷作用下的應力-應變曲線的變化趨勢，然而，當結構相對密度增加或拓撲結構更復雜時，準靜態(tài)分析方法求解的多孔結構的彈性模量與實驗數(shù)據(jù)之間的誤差逐漸增大，而利用該方法求解的多孔結構的初始屈服強度與實驗數(shù)據(jù)之間的誤差保持在30%以內。
　

7、　⑤提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的變密度金屬多孔結構的應力匹配設計和尺寸優(yōu)化方法，該方法通過對所有設計單元的等效應力條件進行聚類分析，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，以有效減小設計規(guī)模，解決了在變密度多孔結構的設計過程中面臨的計算時間長、求解不穩(wěn)定等難題；以三點彎曲梁的多孔結構重構為研究案例，設計單元的數(shù)目由625個減少為8個，實現(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