面向增材制造的非均匀点阵结构综述

受益于增材制造技术的发展,多孔结构、拓扑优化结构、生物仿生结构等具有高度复杂度结构的制造难度得以降低,促进了高度复杂结构的研究进展。点阵结构作为一种典型多孔结构,性能优异和可设计性好,其研究成果已应用于航空航天、生物医疗、汽车制造等诸多领域。其中非均匀点阵结构相较于均匀点阵结构,更能发挥出结构和材料的潜能,因此更具有实际应用价值。本文对非均匀点阵结构的设计方法和制造方式的研究现状和发展动向进行梳理,对非均匀点阵结构进行了详细地综述,指出当前研究存在的挑战,并展望了点阵结构今后的研究方向。

负泊松比点阵结构填充薄壁管轴向压缩行为及吸能特性

薄壁填充结构具有轻量化、高比吸能的优点,被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通等工程领域。负泊松比结构在受到冲击时力学性能会逐渐增强,因此本文基于双箭头型负泊松比点阵提出一种新型薄壁填充管吸能结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟方法研究了新型填充管在压缩载荷作用下的变形失效模式与力学响应。建立了平均碰撞力的理论预测模型,并通过有限元分析验证了模型可靠性,在此基础上研究了负泊松比点阵结构的细观设计参数对填充管抗压缩性能的影响规律。结果表明,填充管在压缩载荷作用下的失效模式为局部屈曲失效,相比于单一薄壁管与点阵结构,填充管具有更好的抗压缩性能;通过参数分析明确了通过增加胞元杆件壁厚和下支撑杆夹角,能显著提高填充管抗压缩性能,这将为后续负泊松比点阵填充结构的抗冲击优化设计提供重要参考。

改进YOLOv5s的小样本3D打印点阵结构表面缺陷检测

3D打印点阵结构已经广泛应用于航空航天、机械和建筑等行业,其表面缺陷分布不均匀且特征微弱,常常造成漏检和误检。针对这一问题,提出了一种YOLOv5s-PD模型。在该模型中,添加了XSPPF模块和空洞金字塔池化模块,提高了模型对不同缺陷特征的获取能力;针对3D打印点阵结构表面缺陷分布杂乱导致误检率高的问题,在YOLOv5s模型中加入了ECA模块;考虑到3D打印点阵结构表面缺陷尺寸信息无规律并且差异较大而导致的预测框与真实框间方向不一致,采用了SIoU损失函数。采用改进模型对制作的3D打印点阵结构表面缺陷数据集进行检测,结果表明:缺陷检测的召回率达到94.0%,平均精度mAP@0.5达到96.2%,所提出的改进算法可以实现对3D打印点阵结构表面缺陷自动检测。

热处理对选区激光熔化制备的点阵结构性能影响研究

选区激光熔化(SLM)技术因其独特的成形原理成为制备复杂点阵结构的理想工艺。以钛合金骨架和片状结构为研究对象,通过数值仿真和试验相结合的方法,分析了热处理工艺对结构微观组织、力学性能、断裂机制及吸能特性的影响规律。结果表明,固溶时效热处理后钛合金中α+β相均匀分布,固溶温度的增加会使片状α'相马氏体逐渐减少而β相增多;不同热处理状态下片状结构压缩强度为骨架结构的1.81~2.17倍,平台应力为后者的3.1倍,但两者弹性模量相当,同时热处理工艺对骨架结构力学性能影响较小而对片状结构影响较大;两类结构都表现出了45°结对角剪切断裂和断裂带传递的现象;骨架结构能量吸收效率远大于片状结构,但累积能量吸收量较低,热处理工艺没有提高被测结构的吸能性能。

结构参数对选区激光熔化成形AlSi10Mg金刚石点阵结构拉伸性能的影响

选区激光熔化制备金属点阵结构由于具有结构设计自由度大、成形零件具有轻量化、缓冲吸震、隔热散热等优势在航空航天等领域具有广泛的工程应用前景。随着应用的不断拓展,对点阵结构的拉伸性能也提出了要求。通过有限元模拟,研究了金刚石单元结构参数对Al Si10Mg点阵结构拉伸性能的影响,并进行了试验验证。结果表明:所设计的点阵结构成形效果较好,具有稳定的力学性能;支杆杆径和孔隙率对点阵结构抗拉强度存在显著影响;随着支杆长径比的减小,点阵结构应力集中区域由节点处向支杆中间位置移动,长径比在1.4左右时点阵结构具有较为均匀的应力分布;在点阵结构外层包裹薄壳结构,可使点阵结构整体应力分布更为均匀。试验与仿真结果相吻合,可通过有限元方法对点阵结构的拉伸性能和变形失效方式进行有效预测。

选区激光熔化成形FeCrNi中熵合金点阵结构及其力学性能

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势,广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金(medium entropy alloy,MEA)为研究对象,采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备了具有BCC,BCCZ,FCC,FCCZ四种仿晶格结构的FeCrNi中熵合金点阵结构材料,对其显微组织、力学性能及变形行为进行了系统研究。结果表明,采用SLM技术制备的FeCrNi中熵合金点阵结构节点搭接质量高,熔池交错堆叠致密,晶粒均匀细小。在相对密度相近时,BCC,FCC,BCCZ,FCCZ点阵结构的比强度和比能量吸收值依次升高。具有FCCZ点阵结构的FeCrNi中熵合金材料的比能量吸收值达到49.8 J·g^(-1),显著高于Ti6Al4V及316L不锈钢点阵材料。有限元模拟分析表明,Z型支柱的存在增加了点阵材料的表观强度和刚度,并导致变形行为由结点弯曲主导向拉轴向压缩主导转变,是FCCZ点阵结构强度提升的主要原因。

TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计

三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)点阵结构因其优异的综合性能受到中外学者的广泛关注。在点阵结构实际应用过程中,常常需要对其进行优化设计以兼顾轻量化与承载性能两方面的要求。目前,对TPMS点阵结构的优化设计主要集中于密度梯度层面,未综合考虑载荷方向对其力学性能的影响。为此,首先研究了TPMS点阵结构的各向异性特征。基于平均场均匀化方法求解了不同类型TPMS点阵结构的等效弹性矩阵,通过Matlab插值计算,绘制了其在三维空间范围内的杨氏模量图。发现不同类型的TPMS点阵结构呈现出不同的各向异性特征,其中W点阵结构在[100]等轴线方向上性能较强,在[111]等斜向对角方向上性能较弱,而P点阵结构则刚好相反。根据TPMS点阵结构的各向异性,同时考虑主应力方向以及相对密度分布对其性能的影响,提出了TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计方法。以悬臂梁模型为基础,基于载荷边界条件对其进行拓扑优化设计,并将拓扑优化密度云映射为点阵结构的相对密度分布,从而实现密度梯度设计。根据TPMS点阵结构的各向异性特征以及单元主应力方向分别选择W和P点阵单胞填充悬臂梁,使主应力方向位于点阵结构性能较强的方向,避免点阵结构在性能薄弱的方向承受较大的应力。将不同类型的TPMS点阵单元合理分布后,利用激活函数将它们进行杂交连接,实现结构梯度设计。综合相对密度分布和单元结构分布,生成密度梯度杂交点阵结构。采用有限元仿真方法对比分析优化设计前后点阵结构的承载性能,结果表明密度梯度W和P点阵结构的刚度与对应的均质点阵结构相比都有明显提高,而由W和P两种点阵单胞组成的密度梯度杂交点阵结构刚度最大,比密度梯度W和P点阵结构分别提高4.63%和33.63%。该结果表明在密度优化的基础上,根据承载时单元主应力方向将不同类型的点阵结构进行合理分布以及混合杂交设计能够进一步提高结构的整体刚度。建立的TPMS点阵结构密度梯度杂交优化方法为其在轻量化设计等方面的应用提供了一定的指导。

基于XGBoost模型的多缺陷点阵结构性能参数预测方法

针对增材制造金属点阵结构缺陷多样性和随机性导致其力学性能难以准确预测问题,提出一种基于参数优化XGBoost模型的点阵结构屈服应力预测模型。基于CT测试数据,提出一种阈值判断准则,用于多种缺陷快速检测和分类。重点研究了支柱直径尺寸和角度偏差缺陷问题,分别以支柱过大、支柱过细、支柱弯曲为主的缺陷数量作为模型输入特征;考虑到缺陷位置具有随机性,将点阵结构层数作为另一种输入特征。根据实测数据建立含缺陷的点阵结构仿真模型,对其屈服应力进行仿真。利用参数优化方法优化预测模型超参数并结合屈服应力仿真结果,实现对结构件屈服应力的预测,其决定系数R 2为0.81,均方根误差为18.87。模型预测结果与实际样件实验测试结果对比,其偏差度为7.6%,表明了所建预测模型的有效性。

增材制造钛基金字塔点阵结构对镁/钛双金属复合材料界面强化的优化

采用超声辅助固-液复合铸造的方法,通过在界面处采用增材制造的钛基金字塔型点阵材料制备镁/钛异种双金属复合材料。采用正交法对点阵结构参数进行优化。结果表明,优化后的点阵结构参数为:杆直径(d)1 mm,杆长与杆直径比(l/d)3,上节点和下节点直径与杆直径比(d_(1)/d,d_(2)/d)均为2.5,其中l/dd是影响接头失效强度的最显著因素,最优点阵结构参数下镁/钛双金属接头的失效强度为77.3 MPa。实验结果和有限元分析表明:随着点阵结构长径比的增加,镁/钛双金属接头的失效强度先增加后减小,当长径比为3时,失效强度达到最大。

Kagome点阵结构参数对其压缩特性的影响及轻质化设计

为研究三杆支撑(Kagome)结构的压缩性能并对其进行轻质化设计,通过改变胞元的结构参数,建立了12种不同胞元相对密度的Kagome多层点阵结构模型,利用压缩试验和模拟仿真对其进行准静态压缩力学性能分析。研究发现在胞元高度一定时,支撑杆倾角和截面直径的增大均会提高Kagome多层点阵结构的抗压缩性能,且倾角大小对结构整体最大等效平压强度的影响要大于杆直径的影响。胞元相对密度从16.6%提高到60.7%,整体等效平压模量提高了5.54倍,最大等效平压强度提高了4.52倍,模拟仿真结果和试验结果具有一致性。此外,对Kagome加固点阵结构进行轻质化设计,整体质量直接减少了16.3%,压缩仿真结果表明,轻质化设计小幅提升了点阵结构在压缩坍塌失效之前的整体等效平压模量、最大等效平压强度、相对比强度、比刚度和等参数。

简单立方点阵结构静态平压性能分析

为了提高简单立方(SC)点阵结构的平压力学性能,在ABAQUS中对SC单胞建立了周期边界约束方程,并通过ESO算法对周期边界条件下的SC单胞进行了拓扑优化设计。随后对优化SC单胞的等效弹性模量进行了求解,发现优化SC单胞的等效弹性模量明显优于传统SC单胞,从外部去除单胞材料可使优化单胞等效压缩模量提高27.14%,从内部去除单胞材料可使单胞等效剪切模量提高46.18%。最后将优化SC单胞从单胞层面扩展到宏观结构中,探究了三类SC点阵结构的静态平压性能。研究表明,周期边界条件与ESO相结合的拓扑优化方法,可使SC结构静态平压时的抵抗力得到明显提升。相比传统SC点阵结构,优化后的SC点阵结构抵抗力提高了20%以上。

基于Timoshenko梁模型的变截面体心立方梯度点阵结构力学特性研究

针对由变截面杆构成的体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)梯度点阵结构,推导了BCC线性变截面弯折杆弯矩的分布表达式,应用于Timoshenko梁理论,得到了梯度点阵结构的力学特性参数化理论预测模型;采用六面体实体单元建立了BCC变截面单胞单元和梯度点阵结构的有限元模型,完成了仿真分析,验证了理论预测模型的有效性.对于梯度点阵结构则采用3D打印技术并选择316L金属粉末制备试样,开展了准静态压缩力学试验,同时也完成了同样工况下的有限元仿真分析,验证了Timoshenko梁模型对于长径比10以下梯度点阵结构力学特性研究的适用性,最后通过理论模型讨论了不同长径比、单胞尺寸、单胞数量和梯度方向等各种梯度点阵结构力学特性的变化规律.研究结果表明:对于线性变截面弯折杆,文中所推导的弯矩分布更加精确,能有效降低理论解的误差;采用本文中的理论预测模型,若长径比在3.5~8.7区间内,BCC变截面单胞单元及梯度点阵结构的等效弹性模量解的误差在3%以内.

基于Voronoi的不规则点阵结构建模及其力学性能分析

点阵结构因具有轻质、高孔隙率、高比强度、高能量吸收率等一系列优良力学特性以及减振、吸声、散热等特殊性能而备受关注。在增材制造飞速发展的背景下,点阵结构的不规则设计及可实现性迎来了新的发展期。应用Voronoi原理,利用参数化设计平台Grasshopper设计并构建了种子数分别为10,15,20的三种不规则点阵结构;通过LS-DYNA显式动力学程序进行有限元分析,模拟其压缩过程;对比三种不规则点阵结构的应力、应变及压缩过程中的能量吸收情况,分析其力学性能。仿真分析结果表明,种子数对不规则点阵结构的力学性能有重要影响,在一定限度内,提升种子数可以提高不规则点阵结构的力学性能。

点阵结构填充零件设计方法研究

点阵结构替代实体结构可以减轻零件质量、增强其整体性能。首先选择4种正方体空间包络的点阵胞元结构,基于均匀化方法解析点阵结构的力学性能,建立由相对密度、杨氏模量、剪切模量和泊松比组成的点阵胞元库;然后以汽车支架为例,基于拓扑优化方法确定零件中点阵结构的填充位置、类型和密度,得到点阵结构填充零件;最后用同等力学性能的均质实体结构替代点阵结构进行仿真分析。结果表明,点阵结构填充后的支架零件质量减小了40%,仿真时间缩短了95%。

不同热处理方式对AlSi10Mg点阵结构压缩性能的影响

本研究针对选择性激光融化制造的AlSi10Mg点阵结构,系统探讨了不同热处理方式对其微观结构及压缩性能的影响。通过准静态压缩实验评估了压缩性能,并深入研究了热处理方式与微观结构以及性能之间的相互关系。结果显示,不同热处理方式对AlSi10Mg的微观结构和压缩性能产生了显著影响,为后续选择性激光融化制造的AlSi10Mg合金的力学性能和微观结构研究提供了重要参考。特别值得注意的是,经过实验验证,最佳的热处理工艺为525℃-2 h-空冷 + 180℃-6 h-空冷。

基于MIST方法的梯度点阵结构优化设计方法

文中提出了一种基于移动阈值切面法(Moving Iso-Surface Threshold,MIST)的梯度点阵结构优化方法。优化模型以点阵结构杆件总应变能为目标函数、杆件截面积为优化变量对杆件粗细进行优化,优化目标为总应变能最小。通过长度特征参数对点阵结构疏密分布进行描述,选取长度特征参数作为优化变量,对点阵结构的疏密分布进行优化,进而提出一套包含两类变量的协同优化方法,实现了杆件粗细与疏密分布的协同优化。通过对均质点阵结构进行优化,获得了非均质的梯度点阵结构。最后通过二维和三维算例验证了方法的有效性。

基于梯度点阵结构的浆果变刚度柔性夹持机构设计

【目的】根据浆果在采摘、分拣等环节中的夹持性能需求,在机器人末端使用高刚度驱动连接和低刚度无损夹持的夹持机构,有效推进农业机器人在浆果生产领域的推广。【方法】针对典型浆果-小番茄的夹持工况,引入多层级拓扑优化理论,提出基于梯度点阵结构的变刚度柔性夹持机构设计方法,构建变刚度柔性夹持机构的优化设计模型,实现由单一材料构建的刚度梯度分布的一体化柔性夹持机构设计。【结果】采用Polyjet增材制造技术,加工获得柔性质量约45 g的夹持机构样件。对茂名‘千禧’小番茄的夹持试验发现,夹持机构样件输入端的驱动载荷为11.00~14.56 N时,小番茄的压缩率为0.90%~1.91%,机械损伤度为0。【结论】优化设计的变刚度柔性夹持机构可有效且几乎零损伤地夹持外表层较为脆弱的浆果,为浆果自动化采摘、分拣等环节中夹持装备的设计提供了可行的设计方法。

基于灰狼优化算法的变截面点阵结构设计及性能优化

点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求.而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式,其相应的理论设计方法尚不完善.文章基于灰狼智能优化算法,提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型,以实现变截面点阵几何形状的自由描述;其次,采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性,建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系;然后,以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最小化柔度为目标函数,构建变截面点阵优化数学模型,并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解,得到性能优化的变截面点阵结构;最后,通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性,并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较.结果表明:优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上,具有更优异的承载能力.研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论,在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景.

面向皮肤组织工程支架的三维多孔点阵结构制备及拉伸特性研究

数字光处理(Digital Light Process,DLP)成型方法具有成型速度快、成型精度高的特点,能够较好用于微小尺寸结构的制备。因此,设计了一种以人工拓扑优化的正方体网格为单胞,并将该单胞沿空间进行周期性扩展,获得新型三维多孔点阵结构。配制了一种具有柔弹性的光敏树脂,选择DLP成型法进行实验制备。探究了DLP打印对该点阵结构成型的影响因素和成型效果,制备出了结构完整、无淤塞的样品,并通过该结构样品的单轴拉伸实验,研究其拉伸力学性能。结果表明,DLP打印所制备的该新型多孔结构,其内部孔隙清晰、连通性好,且孔隙率均达到了80%以上,拉伸断裂伸长率也均在85.6%以上,其中点阵结构3的拉伸韧性最大,其综合拉伸特性最优。该结构可广泛应用于皮肤组织工程支架、柔性电极、易碎品装夹夹具等。

选区激光熔化三维点阵结构尺寸效应研究进展

三维点阵结构技术是兼具轻量化和功能-结构一体化设计的创新型技术,结构成形所依赖的选区激光熔化技术在成形跨尺度结构和渐变结构时面临严重的尺寸效应问题,制约了三维点阵结构的应用及推广。特征结构的“形”、“性”特征是评价打印质量的重要标准,因此,以三维点阵的特征结构——杆和薄壁作为研究对象,系统梳理了尺寸效应的相关研究。首先,从温度场出发,阐述了特征尺寸对宏观热累计及介观熔池尺寸、温度梯度、冷却速率的影响规律,为进一步“形”、“性”分析提供依据;其次,缺陷和微观组织形貌是控“形”的主要内容,因此总结了特征尺寸对微观孔隙率、尺寸精度、粗糙度三种缺陷程度及晶粒尺寸、排向两种微观组织特征的影响规律,并对其产生的机理进行了分析;最后,对比了不同缺陷和微观组织特征对力学性能的影响,为特征结构控“性”提供借鉴。合理的工艺参数选择与特征尺寸相互配合,可以有效改善打印质量,提高特征结构的力学性能,为跨尺度结构及渐变结构的工艺方案设计提供参考,同时也为极致轻量化的探索提供了思路。