增材制造金属点阵结构性能研究进展

点阵结构是一种三维规则排列的多孔结构,具有高比强度、高比刚度及优异的散热性能,是结构功能一体化设计的主要载体。由于点阵结构零件的结构复杂,传统加工方法无法直接制备。增材制造技术是一种通过分层制造方式构建三维实体零件的新型制造技术,在复杂结构制造方面具有独特优势。通过增材制造点阵结构零件可以极大地降低制件重量,提高综合力学性能,在航空航天、能源、车辆工程等领域展现出巨大的技术优势。本文对增材制造金属点阵结构、极小曲面结构、拓扑优化结构等复杂零件结构相关研究进行了总结与归纳,从力学性能、轻量化、能量吸收、散热吸声等应用方向进行了综述,最后总结并展望了金属增材制造点阵结构的优势与发展方向。

金属点阵材料的研究进展

金属点阵材料是一种具有高孔隙率以及周期性结构的先进轻质多功能材料。重点评述了金属点阵材料的分类、金属三维点阵材料的主要制备方法以及点阵结构制备过程中的连接技术,并归纳了目前对其力学性能表征的一些成果,最后从结构与功能两方面介绍了金属点阵材料特有的优良性能以及应用,并展望了其未来的研究趋势。

增材制造金属点阵多孔材料研究进展

金属点阵多孔材料是一种具有复杂周期性结构的先进轻质多功能材料,由于其优异的比强度、吸声、降噪以及超材料等特性,近年来备受关注。而传统的制备工艺仅可以制造类点阵结构,难以生产复杂、精细的点阵结构,成为金属点阵多孔材料进一步应用的掣肘。近年来快速发展的增材制造(Additive manufacturing,AM)技术具有设计与制造自由度大、快速制造任意复杂几何形状零件的特点,可对金属点阵多孔材料进行微观、界观和宏观尺度晶格的多种组合进行调控,是金属点阵多孔材料制备技术的前沿。然而,增材制造金属点阵多孔材料存在残余应力大、表面粗糙度高以及局部应力集中等问题,导致其压缩脆性以及疲劳强度较低。因此,除了研究增材制造工艺参数对点阵结构性能的影响外,研究者们主要从拓扑优化以及后处理方面不断进行尝试,并获得了丰硕的成果。结合拓扑优化设计,可使得应力分布更均匀,更好地服役于不同的加载环境;梯度点阵结构的压缩强度以及能量吸收是均匀点阵结构的两倍以上;通过热处理以及化学蚀刻可以降低点阵结构的残余应力和表面粗糙度,大幅提高其点阵结构的疲劳强度。通过控制单胞结构的分级孔隙度分布、合适的后处理,有望同时实现高孔隙率、高疲劳强度和高能量吸收。本文首先陈述了增材制造金属点阵多孔材料的优势和成形准则,随后介绍了单胞形状、单胞尺寸、支柱直径、体积孔隙率等因素对点阵结构尺寸精度和表面粗糙度的影响,并归纳了这些因素对点阵结构的屈服强度、能量吸收率和疲劳强度等性能的影响。此外,总结了点阵结构的拓扑优化和后处理对其性能的影响,最后介绍了增材制造金属点阵结构存在的掣肘,并展望了其未来的研究趋势。

基于Faster R-卷积神经网络的金属点阵结构缺陷识别方法

采用增材制造技术制备的金属三维点阵结构可能存在裂纹、未熔合、断层等缺陷,导致金属点阵结构的结构-功能性能下降,为此提出一种金属三维多层点阵结构内部缺陷的检测方法。在Faster R-卷积神经网络架构基础上设计特征提取网络,结合工业CT扫描图片,对得到的断层灰度图像中缺陷部位进行快速、准确、智能检测识别和定位。实验验证结果表明,对金属三维多层点阵结构样件的内部典型缺陷识别率达到99. 5%.

超轻金属点阵三明治板结构抗侵彻性能分析

利用有限元模拟软件(LS-DYNA),基于超轻金属点阵材料的可设计性,选取空心金字塔点阵三明治板,在四边固支受钢性弹丸垂直中心侵彻条件下研究其抗侵彻性能。三明治板中金字塔结构排列为5×5形式,靶板长为14.5 cm、宽为10.5 cm.通过分析期望从中得出各子结构在三明治板抗侵彻过程中的吸能表现,分析三明治板的总体抗弹性能及各子结构对抗弹性能的影响。弹丸作用于板的入射速度及出射速度也是我们关注的重要参数,用以量化确定三明治结构对于入射弹丸的弹道极限速度及抗侵彻能力。研究发现由于金字塔结构的特殊性,可对弹丸实现偏航,从而使得三明治板的抗侵彻性能得以显著提高。

基于CT图像的金属点阵结构内部缺陷检测方法

基于计算机断层扫描(CT)图像的灰度值分布特征,提出了一种金属三维多层点阵结构内部缺陷的检测方法。通过3个横向相邻固定尺寸像素点集合灰度值总和之间的差值分布来判别缺陷的存在,理论分析给出了相应的判别标准和依据。实验验证结果表明:与人工标记的方法进行对比,该算法对金属三维多层点阵结构样件的内部典型断层缺陷的识别率达到98. 5%。

金属点阵格栅三明治结构低速冲击响应分析

为比较几种正多边形金属点阵格栅三明治结构在低速冲击下动态响应的差异,分析影响三明治结构性能的因素,建立金属点阵格栅三明治板在低速冲击下的有限元模型并计算其力学响应。研究结果表明：表观密度相同的情况下,增加三明治板芯层格栅单元边数,能增强面板与芯层所形成的周边连带效应,提高板的抗冲击性能及整体刚度;低速点冲击荷载作用下,三明治板上下面板厚度比在1~2之间是比较合适的,过大或过小会导致材料利用不足或影响结构安全等问题;在保证足够结构刚度的前提下,应尽可能减小芯层壁厚及高度以提高结构吸能效率。

金属点阵材料剪切实验技术研究

从已有胶黏剂、夹芯材料的剪切试验标准出发,制备金属点阵夹芯材料试样,开展金属点阵材料多种剪切实验方法的探索,同时采用有限元方法模拟各种剪切实验方案中材料的应力分布与变形特征。通过与理想剪切状态的分析对比,提出了一种适合金属点阵材料剪切实验的方法。该实验方案可将剪切力均匀作用在材料内部待剪切面内,消除附加弯矩影响,实现预先设计的剪切过程,获得准确可靠的金属点阵材料剪切性能数据。

金属点阵材料结构参数的CT检测

针对金属点阵材料的结构参数开展了检测方法研究。高能束激光选区熔化点阵结构的连接杆经工业CT(电子计算机断层扫描)检测后得到的影像呈椭圆状,针对这一影像特征,依据椭圆上任意两点之间的最大几何距离为长轴这一概念,实现了单个椭圆位置参数、形状参数的自动识别,以及金属点阵结构几何参数的自动化检测。检测结果基本符合设计值,为其他零件结构缺陷的数字射线成像及工业CT检测影像的自动识别提供了参考。

增材制造结合熔模铸造制备亚毫米级金属点阵微结构的工艺研究

基于增材制造方法,采用光固化成形工艺,结合熔模铸造工艺制备出亚毫米直径桁架的金属点阵结构。首先对光固化成形工艺进行优化,最佳工艺参数为50μm的单层厚度条件下,单层固化时间4.52 s,采用优化后的光固化成形工艺制备出树脂基点阵结构,将其嵌入到熔模基体中,加热将树脂材料升华,形成支柱直径为750μm的孔隙模具,分别采用离心铸造和重力铸造两种方法浇注ZAMAK3锌合金,制备出金属点阵结构。压缩试验表明,两种铸造技术制备的金属点阵结构的机械强度相似,承受压力载荷分别达到1.24 kN和1.30 kN。有限元分析的模拟结果与离心铸造的结果更加接近,当变形量超过0.6 mm时,有限元模拟结果与实际变形情况开始出现偏差。

金属点阵材料的制备与性能应用研究进展

金属点阵材料是一种具有有序孔结构的多孔材料,与传统的金属泡沫和金属蜂窝材料相比,具有更高的比强度、比刚度和单位质量吸能性,尤其是当相对密度较低时,金属点阵材料具有尤为突出的质量效率和性能优势,是目前国际上公认的最有前景的超强韧轻质结构材料之一。通过传统工艺制备点阵材料时,存在过程复杂、后处理烦琐、易产生缺陷等问题。增材制造技术的出现极大地推动了金属点阵材料的发展,简化制备工艺的同时提高了点阵材料结构的设计性,为制造复杂结构的点阵材料提供了理想的平台。文章归纳了金属点阵材料的制备方法,总结了金属点阵材料的性能及应用,并讨论了其局限性和未来的发展趋势。

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。

铝合金点阵结构电弧增材制造技术及应用

电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法,制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al_(2)O_(3)相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系,制备出直径1.2 mm的药芯丝材,堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离,使电弧中的带电粒子大幅度增加,对电弧存在约束和稳定作用,提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数,可制备直径为2.5~7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量,可制备角度为15°~90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形,点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa,具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源,热源温度为500℃,时间600 s,测试件下表面温度约93℃,具有较高的隔热性能。

点阵多孔金属夹芯板振动特性分析及优化设计

采用空间桁架结构分析的网架结构连续化方法对点阵多孔金属夹芯板的夹芯层桁架进行了连续化处理,即,将夹芯层桁架等效为连续介质,并分别推导了金字塔型、四面体型、kagome型和4杆型点阵多孔金属夹芯板的抗弯刚度和等效剪切刚度.然后,应用分解刚度法推导了四边简支条件下点阵多孔金属夹芯板的固有振动频率公式,并与有限元计算结果进行了对比,表明所得公式具有较高的精度.最后,研究了夹芯板单胞结构尺寸对固有振动频率的影响,以夹芯层高度和桁架杆截面尺寸为设计变量,以第一阶频率最大化为目标对夹芯板进行了优化,优化后的夹芯板振动频率得到了明显提高.

点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击问题研究的综述

点阵金属夹芯结构是一种具有良好缓冲吸能特性的新型材料结构。为全面了解其在抗爆炸冲击方面的力学性能和在轻质装甲防护结构方面应用的潜力,介绍了新型点阵金属材料的基本概念;分析了点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击过程的理论分析模型、夹芯结构的变形失效形式、抗爆吸能特性和相关影响因素;讨论并展望了点阵金属夹芯结构的发展趋势。

结构几何参数对填充泡沫铝的金字塔形点阵金属夹芯方板抗爆性能的影响

为探讨通过结构几何参数优化提高点阵金属复合夹芯结构抗爆炸冲击性能的可能性,本文以填充泡沫铝的金字塔形点阵金属材料夹芯方板作为新型抗爆结构研究对象,在质量、材料类型、加载和约束条件限定的情况下,建立了夹芯结构多个关键结构因素之间内在的关联函数,分析了相互关联几何参数的改变对抗爆性能的影响。研究结果证明了某限定条件下从结构几何参数角度优化复合结构抗爆性能是可行的,并指出了优化的初步方法。研究可为新型轻质装甲抗爆性能优化设计提供借鉴。

结合金属膜的YZ-LiNbO_3压电基片上声表面波陀螺效应分析

在声表面波陀螺效应作用过程中,由于哥氏力的作用比较微弱,导致现有的声表面波陀螺仪的检测灵敏度极低。为了改善哥氏力作用,在声表面波传播路径上分布金属点阵以增加质量负载,将有可能获得良好的灵敏度性能。本文结合研究层状介质中声波传输特性的方法对YZ-LiNbO3压电基片上的金属膜层对陀螺效应的影响做了理论计算。对比分析有无金属膜层的压电基片中陀螺效应的大小,以及不同金属材料对陀螺效应的影响作用,验证了用布置重金属点阵的方法来提高行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的可行性,从而为高性能行波模式声表面波陀螺仪的研制奠定理论基础。

点阵压气机叶轮的设计与3D打印仿真

以压气机叶轮为研究对象,基于八角桁架点阵结构,设计了一种新型轻量化点阵压气机叶轮,通过选择性激光熔融(SLM)280型金属3D打印机对设计叶轮的可加工性进行了验证.为了解其3D打印性能,基于有限单元法(FEM)对点阵轮的3D打印过程进行了模拟.在保证利用数值方法研究3D打印过程可行的基础上,对不同功率下点阵轮的打印过程进行了分析,并与相同工况下的实心压气机叶轮进行了对比.结果表明:点阵轮与实心轮的层变形是一个逐层叠加递增的过程,在本文的7种工况下,点阵轮打印完成时的最大残余变形与残余应力均小于实心轮.点阵轮的最大残余变形最大可比实心轮小20.19%,最大残余应力可比实心轮小10.69%.这意味着点阵轮除了比实心轮具有更轻的质量,还将比实心轮具有更优异的打印性能.

填充泡沫铝的金字塔形点阵钢材料夹芯方板抗爆性能数值研究

提出一种用泡沫铝材料填充的金字塔形点阵钢材料夹芯方板点阵空间的新型抗爆结构。利用LS-DYNA研究近场爆炸源加载下的两端固支方板夹芯结构的抗爆性能,并与无填充物的相同结构和相同面密度的空气夹芯结构、泡沫铝夹芯结构、金字塔形点阵夹芯结构进行对比分析。研究显示:填充泡沫铝的金字塔形点阵金属夹芯结构与填充物的相同结构相比,其下面板在加载方向的最大速度减小23.12%,40μs内最大变形量减小25.5%;而与相同面密度的无点阵夹芯的空气夹芯结构、泡沫铝夹芯结构相比,结构下面板运动速度和变形量也是最小的。这表明新型抗爆结构在降低底板运动速度和变形量方面相对于其他结构体现出更大的性能优势,这是由泡沫铝材料吸能特性与点阵结构刚度特性复合所致。本研究可为以后对此新型抗爆材料结构展开更为精细化的数值模拟研究和全面的试验验证打下基础。