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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
被引量:
2
1
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.
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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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职称材料
不同参数三周期极小曲面夹层结构三点弯曲性能的有限元模拟
被引量:
1
2
作者
吴耀中
王亚辉
+2 位作者
李学鹏
齐旭
王华伟
《机械工程材料》
CAS
CSCD
北大核心
2024年第12期106-111,共6页
建立了Primitive型三周期极小曲面(P-TPMS)夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证;采用该有限元模型研究了胞元长度(8,12,24 mm)、P-TPMS结构相对密度(0.15,0.20,0.25)、面板厚度(1.5,2.0,2.5 mm)等结构参数对夹层...
建立了Primitive型三周期极小曲面(P-TPMS)夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证;采用该有限元模型研究了胞元长度(8,12,24 mm)、P-TPMS结构相对密度(0.15,0.20,0.25)、面板厚度(1.5,2.0,2.5 mm)等结构参数对夹层结构极限载荷和弯曲刚度的影响。结果表明:模拟得到的夹层结构的力-位移曲线整体变化趋势与试验结果基本吻合,极限载荷的相对误差为5.7%,验证了有限元模型的准确性。随着胞元长度的增加,夹层结构的极限载荷呈先升后降的趋势,当胞元长度为12 mm时极限载荷最大,较胞元长度为24 mm提高9.2%,弯曲刚度减小,胞元长度为8 mm的弯曲刚度较胞元长度为24 mm提高23.9%;随着P-TPMS结构相对密度或面板厚度的增加,夹层结构的极限载荷和弯曲刚度均增大,P-TPMS结构相对密度为0.25的极限载荷和弯曲刚度较相对密度为0.15分别提高91.4%和78.1%,面板厚度为2.5 mm的极限载荷和弯曲刚度较面板厚度为1.5 mm分别提高34.0%和38.7%。
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关键词
三
周期
极
小曲面
夹层
结构
三
点弯曲
结构
参数
有限元模拟
极
限载荷
弯曲刚度
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职称材料
功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性
被引量:
2
3
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.
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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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职称材料
微细点阵结构的流动传热强化研究及应用综述
4
作者
李小龙
梁栋
+3 位作者
李丽霞
陈宏
文佳俊
陈伟
《航空发动机》
北大核心
2025年第2期53-67,共15页
微细点阵结构凭借高表体比、强扰流作用及轻量化特性等优势,在航空发动机、燃气轮机及高超声速动力装置的热端部件热防护应用中展现出巨大的潜力。介绍了桁架型点阵结构和三周期极小曲面(TPMS)点阵结构的定义、设计方法与流动传热特性,...
微细点阵结构凭借高表体比、强扰流作用及轻量化特性等优势,在航空发动机、燃气轮机及高超声速动力装置的热端部件热防护应用中展现出巨大的潜力。介绍了桁架型点阵结构和三周期极小曲面(TPMS)点阵结构的定义、设计方法与流动传热特性,归纳了其流动传热性能的影响因素及相关优化设计策略,总结了其在航空发动机热端部件冷却和高速飞行器前缘热防护中的应用研究进展。增材制造技术的进步为复杂微细点阵结构的精确成型提供了工艺保障。其中,桁架型点阵结构通过交叉倾斜的杆件诱导形成复杂涡流,其传热强化效果相对于传统冷却结构显著提高,但伴随较高的流动压降;三周期极小曲面点阵结构凭借连续光滑的曲面形态和灵活的设计自由度,结合优化算法后展现出高效精准的冷却调控效果。当前,常规工况下典型点阵结构的流动传热特性已得到初步阐述,未来研究可以重点关注梯度点阵结构的优化设计方法、复杂高温环境与旋转效应对其流动传热的影响以及点阵结构与其它冷却技术的协同强化机制等方向,以期进一步推动微细点阵结构在空天热防护系统中的工程应用。
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关键词
微细点阵
结构
三周期极小曲面结构
传热强化
热端部件热防护
航空发动机
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职称材料
题名
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
被引量:
2
1
作者
黄心语
汤华远
王磊
机构
河海大学力学与工程科学学院
出处
《力学学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第11期3099-3115,共17页
基金
国家自然科学基金资助项目(12072105和11932006).
文摘
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.
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
Keywords
triply periodic minimal surface
additive manufacturing
mechanical characteristics
residual stress
defect
分类号
O39 [理学—工程力学]
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职称材料
题名
不同参数三周期极小曲面夹层结构三点弯曲性能的有限元模拟
被引量:
1
2
作者
吴耀中
王亚辉
李学鹏
齐旭
王华伟
机构
武汉科技大学汽车与交通工程学院
出处
《机械工程材料》
CAS
CSCD
北大核心
2024年第12期106-111,共6页
基金
海洋防务技术创新基金资助项目(JJ-2022-719-05)
湖北省教育厅科学技术研究项目(B2022006)
武汉科技大学国防预研基金资助项目(GF202010)。
文摘
建立了Primitive型三周期极小曲面(P-TPMS)夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证;采用该有限元模型研究了胞元长度(8,12,24 mm)、P-TPMS结构相对密度(0.15,0.20,0.25)、面板厚度(1.5,2.0,2.5 mm)等结构参数对夹层结构极限载荷和弯曲刚度的影响。结果表明:模拟得到的夹层结构的力-位移曲线整体变化趋势与试验结果基本吻合,极限载荷的相对误差为5.7%,验证了有限元模型的准确性。随着胞元长度的增加,夹层结构的极限载荷呈先升后降的趋势,当胞元长度为12 mm时极限载荷最大,较胞元长度为24 mm提高9.2%,弯曲刚度减小,胞元长度为8 mm的弯曲刚度较胞元长度为24 mm提高23.9%;随着P-TPMS结构相对密度或面板厚度的增加,夹层结构的极限载荷和弯曲刚度均增大,P-TPMS结构相对密度为0.25的极限载荷和弯曲刚度较相对密度为0.15分别提高91.4%和78.1%,面板厚度为2.5 mm的极限载荷和弯曲刚度较面板厚度为1.5 mm分别提高34.0%和38.7%。
关键词
三
周期
极
小曲面
夹层
结构
三
点弯曲
结构
参数
有限元模拟
极
限载荷
弯曲刚度
Keywords
triply periodic minimal surface sandwich structure
three-point bending
structure parameter
finite element simulation
ultimate load
bending stiffness
分类号
TB383 [一般工业技术—材料科学与工程]
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职称材料
题名
功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性
被引量:
2
3
作者
程乾
尹剑飞
温激鸿
郁殿龙
机构
国防科技大学智能科学学院
国防科技大学装备综合保障技术重点实验室
出处
《力学学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第9期2646-2658,共13页
基金
国家重点研发计划(2022YFB3806102)
国家自然科学基金(11991030,11991032,11991034,11872371)
湖南省研究生科研创新项目(CX20220023)资助.
文摘
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.
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
Keywords
triply periodic minimal surface structures
functionally graded structures
dynamic impact
mechanical properties
energy absorption performance
分类号
TB34 [一般工业技术—材料科学与工程]
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职称材料
题名
微细点阵结构的流动传热强化研究及应用综述
4
作者
李小龙
梁栋
李丽霞
陈宏
文佳俊
陈伟
机构
四川大学空天科学与工程学院
航空工业中国飞机强度研究所
出处
《航空发动机》
北大核心
2025年第2期53-67,共15页
基金
国家自然科学基金(52076143)
中央引导地方科技发展项目(2023ZYD0136)
+1 种基金
四川省青年科学基金(2024NSFSC0873)
装备预研教育部联合基金(8091B02052303)资助。
文摘
微细点阵结构凭借高表体比、强扰流作用及轻量化特性等优势,在航空发动机、燃气轮机及高超声速动力装置的热端部件热防护应用中展现出巨大的潜力。介绍了桁架型点阵结构和三周期极小曲面(TPMS)点阵结构的定义、设计方法与流动传热特性,归纳了其流动传热性能的影响因素及相关优化设计策略,总结了其在航空发动机热端部件冷却和高速飞行器前缘热防护中的应用研究进展。增材制造技术的进步为复杂微细点阵结构的精确成型提供了工艺保障。其中,桁架型点阵结构通过交叉倾斜的杆件诱导形成复杂涡流,其传热强化效果相对于传统冷却结构显著提高,但伴随较高的流动压降;三周期极小曲面点阵结构凭借连续光滑的曲面形态和灵活的设计自由度,结合优化算法后展现出高效精准的冷却调控效果。当前,常规工况下典型点阵结构的流动传热特性已得到初步阐述,未来研究可以重点关注梯度点阵结构的优化设计方法、复杂高温环境与旋转效应对其流动传热的影响以及点阵结构与其它冷却技术的协同强化机制等方向,以期进一步推动微细点阵结构在空天热防护系统中的工程应用。
关键词
微细点阵
结构
三周期极小曲面结构
传热强化
热端部件热防护
航空发动机
Keywords
micro-lattice structures
triply periodic minimal surface structures
heat transfer enhancement
thermal protection of hot-end components
aeroengine
分类号
V231.1 [航空宇航科学与技术—航空宇航推进理论与工程]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
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
黄心语
汤华远
王磊
《力学学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024
2
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职称材料
2
不同参数三周期极小曲面夹层结构三点弯曲性能的有限元模拟
吴耀中
王亚辉
李学鹏
齐旭
王华伟
《机械工程材料》
CAS
CSCD
北大核心
2024
1
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职称材料
3
功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性
程乾
尹剑飞
温激鸿
郁殿龙
《力学学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024
2
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职称材料
4
微细点阵结构的流动传热强化研究及应用综述
李小龙
梁栋
李丽霞
陈宏
文佳俊
陈伟
《航空发动机》
北大核心
2025
0
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职称材料
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