面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。

基于激光烧结纳米复材的高效吸能超材料

采用纳米复合材料作为原料,通过激光烧结技术制造具有拉胀复合晶格的机械超材料。该方法为设计和制造能量吸收可调控的系统提供了技术手段。通过对材料组分和结构的优化能够高效提升复材结构的能量吸收能力。拉胀型超材料的能量吸收能力与相对密度成指数关系,约为2.5~3。经过对机械超材料进行合理的几何拓扑优化后,其具有较高的致密化强度、能量吸收能力(6.29MJ/m^(3))和比能量吸收能力(20.42J/g)。提出的拉胀性超材料具有接近钛合金泡沫,优于塑料泡沫、铝合金泡沫以及其他增材制造成型结构的能量吸收能力。

SLM NiTi记忆合金负刚度结构的能量吸收与形状恢复

采用选区激光熔化技术制备了具有不同几何参数的Ni_(50.6)Ti_(49.4)负刚度结构,分析了成形质量及相变行为,研究了几何参数及循环次数对其准静态压缩变形模式、比能量吸收及形状恢复的影响。结果表明:屈曲面几何参数对负刚度结构的变形模式、比能量吸收及形状恢复率有重要影响;非对称屈曲对负刚度结构的比能量吸收及形状恢复十分不利,通过设计合理的几何参数可以限制非对称屈曲;选区激光熔化制备的NiTi均匀负刚度结构在循环压缩后(50%应变)加热可恢复至初始高度的95%以上,且首次压缩过程中的比能量吸收可达328.3 J/kg;将不同几何参数的负刚度单元进行组合可以对整体结构的承载能力和能量吸收进行编程,实现梯度变形及吸能;此外循环次数会降低NiTi负刚度结构的承载能力和能量吸收,但对其形状恢复率几乎无影响。

杆径对激光选区熔化NiTi合金点阵结构动态减振特性的影响

采用激光选区熔化(SLM)技术制备了具有不同杆径的NiTi体心立方(BCC)点阵结构,分析了其成形质量及相变行为,通过有限元分析与实验探究了杆径对一阶固有频率以及结构阻尼的影响。结果表明:杆径对BCC结构的一阶固有频率及结构阻尼有重要影响;杆径增加会使结构的整体刚性增大,一阶模态随之上升,这为通过调控杆径实现多频段减振性能提供了依据;杆径减小导致NiTi点阵的相变温度与孔隙率降低,而相变温度降低与孔隙数量减少会使材料阻尼降低,从而导致低杆径下NiTi合金BCC点阵结构的结构阻尼显著下降。

SLM NiTi记忆合金bcc点阵结构的吸能特性研究

通过选区激光熔化(SLM)技术制备了不同体积分数的NiTi记忆合金bcc点阵结构(基于CAD及基于三周期极小曲面TPMS),分析了失效前的压缩响应,研究了体积分数、单元构型和微观组织对能量吸收的影响。结果表明:NiTi bcc点阵(体积分数5%~25%)在压缩至损伤前具有优秀的比能量吸收(0.45~1.89 J/g),卸载后加热可恢复至92%以上;体积分数及单元构型对NiTi bcc点阵的压缩响应有重要影响;体积分数小于15%时,CAD样品具有更长可压缩应变,比能量吸收更好;体积分数大于15%时,TPMS样品具有更高压缩应力,比能量吸收更好;SLM过程中的阶梯效应导致了点阵支杆的下表面与内部具有不同的材料组织,下表面处熔池条纹更深更宽且晶粒更加粗大;材料异质性导致了相对较差的机械性能,不利于能量吸收;由于受载下应力集中位置及异质比例的不同,该材料异质性对低体积分数的TPMS样品的不利影响更大。