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功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性 被引量：1
1
作者 程乾 尹剑飞 +1 位作者 温激鸿 郁殿龙 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期2646-2658,共13页
功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroi... 功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroid结构,通过3D打印光敏树脂制备样件开展了准静态压缩试验,采用LS-DYNA构建仿真模型并与试验结果对比,验证了仿真方法的有效性.研究发现,功能梯度壁厚分布方式显著影响结构力学性能及变形模式.在准静态压缩下,功能梯度结构呈现逐层压溃的变形模式,在接触端产生局部的致密化带,这一模式导致梯度结构吸能特性有一定提升.基于准静态测试数据以及试验变形模式分析,构建了Gibson-Ashby模型,揭示了均质结构弹性模量和屈服强度随等效密度的变化规律;利用该Gibson-Ashby模型,预测了功能梯度结构屈服强度,并构建等应力模型预测了梯度结构的弹性模量,预测结果与实验值具有良好的一致性.对于其动态力学性能,构建了4种冲击速度仿真模型,深入探讨不同冲击速度对梯度结构力学性能的影响规律.功能梯度结构在高速冲击下,由于其壁厚逐层递增的特性,其局部压溃现象更为明显,导致其在高速冲击下的致密化应变显著增大,其吸能特性也有所提升.其中,对数梯度结构具有最高的屈服强度,而Sigmoid梯度结构具有最高的平均平台应力和吸能特性,其比吸能特性为13.01 J/g,相较于相对密度为45%的均质结构而言提升了45%.此外,基于刚性-完美塑性-锁定模型对梯度结构的动态平台应力进行拟合预测,拟合结果与仿真结果吻合度较高,为预测功能梯度结构的动态力学响应提供了计算方法. 展开更多
关键词 三周期极小曲面结构 功能梯度结构 动态冲击 力学性能 吸能特性
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基于增材制造的三周期极小曲面结构关键力学性能研究进展
2
作者 黄心语 汤华远 王磊 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期3099-3115,共17页
三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构,具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质,在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用.增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优... 三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构,具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质,在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用.增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优势,为三周期极小曲面结构的制造提供了有力工具.然而增材制造过程中也引入诸多缺陷,对结构的力学性能产生重要影响.全面深入地研究增材制造三周期极小曲面结构的力学性能,对评价和预测结构性能、扩宽其在工程中的应用具有重要意义.首先从结构形式、特点及应用领域等方面对三周期极小曲面结构进行了介绍,重点针对静态压缩吸能、动态抗冲击和疲劳断裂等关键力学性能,综述了近期的重要进展.围绕三周期极小曲面结构的隔声吸声性质和热交换性能,亦进行了讨论.其次,以选区激光熔化与选区激光烧结为例,介绍了增材制造制备三周期极小曲面结构的主要方法.再次,结合增材制造技术,讨论制造过程中引入的缺陷对三周期极小曲面结构力学性能的影响,包括残余应力、表面粗糙度和内部微孔洞等.最后,结合实际应用对该领域面临的主要困难和挑战进行总结,同时展望了未来的研究方向. 展开更多
关键词 三周期极小曲面结构 增材制造 力学性能 残余应力 缺陷
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极小曲面力学超材料抗冲吸能特性分析 被引量：2
3
作者 程乾 尹剑飞 +1 位作者 温激鸿 郁殿龙 《动力学与控制学报》 2023年第7期43-50,共8页
本文基于极小曲面结构构建了一类力学超材料,并研究了其准静态及动态力学特性.首先,通过对等效密度为30%、40%和50%的超材料样件进行准静态压缩试验,分析了不同等效密度下结构准静态力学特性变化规律,结果表明,结构模量及平台应力随等... 本文基于极小曲面结构构建了一类力学超材料,并研究了其准静态及动态力学特性.首先,通过对等效密度为30%、40%和50%的超材料样件进行准静态压缩试验,分析了不同等效密度下结构准静态力学特性变化规律,结果表明,结构模量及平台应力随等效密度的增长呈指数上升,其变化规律可用Gibson-Ashby模型进行精准拟合;其次,研究了不同冲击工况对极小曲面力学超材料动态力学特性的影响规律.根据动态力学特性影响因素及变化规律,分别构建了刚性-完美塑性-锁定模型和简化吸能特性预测模型,对冲击时的力学超材料强度及吸能特性进行预测.结果表明,基于三周期极小曲面的力学超材料具有良好的抗压抗冲吸能特性,且其动态力学性能可以通过建立的模型进行精确预测,为高性能防护结构设计提供了理论基础. 展开更多
关键词 力学超材料 三周期极小曲面结构 动态冲击 抗冲吸能特性
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增材制造钛合金TPMS材料的力学性能研究
4
作者 张浩 杭平平 +7 位作者 于国际 苗成 张智美 王琦程 高龙 杨子臻 党伟 姜春云 《兵器材料科学与工程》 北大核心 2025年第2期71-77,共7页
为探究增材制造钛合金三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)材料在防护领域的应用,设计了不同相对密度的IWP(I-wrapped package)型曲面力学超材料,采用激光选区熔融(selective laser melting,SLM)技术,制备钛合金极... 为探究增材制造钛合金三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)材料在防护领域的应用,设计了不同相对密度的IWP(I-wrapped package)型曲面力学超材料,采用激光选区熔融(selective laser melting,SLM)技术,制备钛合金极小曲面结构试样,采用单轴面内压缩力学试验和直接撞击式霍普金森杆(DIHB)系统方法,研究其准静态及动态力学特性。结果表明:在一定的相对密度范围内,IWP力学超材料的初始峰值应力和平台应力随着相对密度的增大呈近似线性增大,比吸能随着相对密度的增大而增大,但其增值递减。不同相对密度的IWP力学超材料在静态试验中的变形模式相似,出现倾斜剪切带和应力下降的现象。比较结构静动态力学特性发现,IWP力学超材料在高应变率下表现出一定的应变率敏感性,高应变率下结构的初始峰值应力显著提高。研究结果为TPMS力学超材料在不同工况下的应用提供了依据。 展开更多
关键词 三周期极小曲面力学超材料 准静态压缩 变形模式 动态冲击 力学性能
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不同模型倾角的极小曲面复合相变材料熔化特性分析
5
作者 刘亮亮 张晓凯 +3 位作者 孙明瑞 赵佳飞 吴迪 张俊 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期612-618,共7页
以基于片状Diamond和杆状Diamond结构的复合相变储热单元(TPMS-PCM)为研究对象,建立4个模型,分别为不同模型倾角(0°、30°、60°、90°)。通过数值模拟的方法,研究模型倾角对相变储能单元储能性能的影响规律。研究结... 以基于片状Diamond和杆状Diamond结构的复合相变储热单元(TPMS-PCM)为研究对象,建立4个模型,分别为不同模型倾角(0°、30°、60°、90°)。通过数值模拟的方法,研究模型倾角对相变储能单元储能性能的影响规律。研究结果表明:基于片状Diamond的相变储能单元自然对流较弱,因此其受模型倾角影响较小;在杆状Diamond中,60°模型融化速度比0°模型提高5.9%。 展开更多
关键词 蓄热 数值方法 相变材料 模型倾角 三周期极小曲面
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激光选区熔化成形多层级Gyroid点阵结构的力学性能研究
6
作者 王鹏欢 汤名锴 王森林 《力学学报》 北大核心 2025年第1期148-161,共14页
三周期极小曲面(TPMS)结构因其优异的力学性能,在航空航天领域关键零件轻量化方面展现出广阔的应用前景.为有效增强TPMS结构力学性能及其轻量化程度,提出一种基于应力场引导的多层级TPMS点阵结构设计优化方法,设计出多层级Gyroid点阵结... 三周期极小曲面(TPMS)结构因其优异的力学性能,在航空航天领域关键零件轻量化方面展现出广阔的应用前景.为有效增强TPMS结构力学性能及其轻量化程度,提出一种基于应力场引导的多层级TPMS点阵结构设计优化方法,设计出多层级Gyroid点阵结构,采用激光选区熔化技术制备了相应的点阵结构,并与体积分数相同的初级Ti6Al4V Gyroid点阵结构进行了对比研究.在此基础上,通过有限元模拟和压缩试验,系统研究了多层级Gyroid点阵结构的压缩性能、变形行为和能量吸收性能.结果显示,与相同体积分数的初级Gyroid点阵结构相比,多层级Gyroid点阵结构压缩性能显著提升,其弹性模量、屈服强度和极限强度分别提高了约36.52%,58.55%和57.62%,能量吸收能力提升了约42.85%.此外,与初级Gyroid点阵结构在斜压杆中心区域的45°剪切断裂模式不同,多层级Gyroid点阵结构初期在填充区域发生层状断裂,随后在未填充区域的斜压杆中心区域发生45°剪切断裂.基于Johnson-Cook塑性模型和损伤模型所建立的有限元模型能够准确预测多层级Gyroid点阵结构的变形行为和力学性能,其预测误差在20%以内.文章所设计的多层级Gyroid点阵结构具有优异的力学性能和能量吸收能力,为航空航天领域高性能轻量化零件优化设计与制造提供了新的思路与技术支持. 展开更多
关键词 激光选区熔化 三周期极小曲面 多层级结构 有限元分析 力学性能
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电子束增材制造多孔骨支架的选用与疲劳性能研究
7
作者 谢海琼 甘道其 +3 位作者 刘飞 谢海涛 杨白银 周天宇 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期348-357,共10页
增材制造多孔结构具有优良的力学仿生和促骨长入性能,支持骨科植入假体在体内的长期稳定。本研究采用三周期极小曲面(TPMS)法和电子束熔融技术(EBM)设计并制备了仿骨小梁多孔结构,通过微计算机断层扫描技术(Micro-CT)和力学疲劳实验研... 增材制造多孔结构具有优良的力学仿生和促骨长入性能,支持骨科植入假体在体内的长期稳定。本研究采用三周期极小曲面(TPMS)法和电子束熔融技术(EBM)设计并制备了仿骨小梁多孔结构,通过微计算机断层扫描技术(Micro-CT)和力学疲劳实验研究它们的孔隙特性、机械力学和疲劳性能,提出了一套新颖的适用于骨科植入假体的选用方法,以满足孔隙连通、力学稳定和高周疲劳寿命的需求。Micro-CT和扫描电镜(SEM)表征发现,单元尺寸≥1.5 mm的多孔支架具有仿生的孔径(748μm)和良好的孔隙连通性;TPMS-Gyroid支架的力学稳定性和可靠性优于TPMS-Diamond支架,所建立的Gibson-Ashby方程可为钛合金多孔支架的设计提供力学性能预测;支架在应力水平为0.2时的疲劳寿命>106次,满足植入材料的长期安全使用要求,其弹性模量与人体松质骨的弹性模量相似(0.1~1.1 GPa)。疲劳行为的研究还发现,疲劳棘轮和疲劳损伤是引发多孔支架失效的主要原因。在设计金属多孔支架结构时,可通过增大支架单元尺寸来减少裂纹萌生的缺口数量,有助于提高支架的疲劳寿命。 展开更多
关键词 电子束熔化 三周期极小曲面 多孔支架 力学性能 疲劳寿命
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