CN110849723B - 一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，先建立拉伸试件的三维模型，然后将拉伸试件的三维模型加工成形，再将成形的拉伸试件固定在拉伸试验设备上进行测试分析，所述三维模型包括中间拉伸段，所述中间拉伸段的两端对称设置有2个过渡段，所述过渡段的端部设置夹持段，所述中间拉伸段包括点阵结构或多孔结构，所述点阵结构或多孔结构的外壁包覆一层等厚薄壁结构，所述过渡段用于连接中间拉伸段和夹持段，所述夹持段用于与进行拉伸测试的测试设备连接。通过本发明所述测试方法能够实现各种点阵或多孔结构的各向异性的拉伸测试分析。

Description

一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法
技术领域
本发明涉及结构设计和机械制造技术领域，具体涉及一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法。
背景技术
增材制造技术由于其具有成形复杂零件，粉末利用率高等优势，在最近几年有了快速发展，在航空航天、生物、医疗、能源、新产品开发等领域，增材制造将发挥其独特的技术潜力。
随着增材制造技术的发展，特别是选区激光熔化工艺的快速发展，为各种轻量化复杂结构提供了一种加工方法，包括复杂随机仿生多孔结构，梯度多孔结构等结构提供了一种有效的成形方法，通过轻量化设计可实现成本、重量、性能和体积等因素的优化。
多孔结构根据其周期性可分为规则多孔结构和不规则多孔结构，规则多孔结构即点阵结构，通过单元周期阵列的方法形成点阵结构，而通过阵列的点阵结构在不同方向上结构有所不同，导致点阵结构的力学性能存在各向异性，而不规则多孔结构由于其结构内部的孔洞分布具有随机性的特点，因此在不同方向上的力学性能并不完全一致，存在各向异性，因此需要开发出适用于点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，用于准确测试和分析其各个方向的拉伸等力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，通过本发明所述测试方法能够实现各种点阵或多孔结构的各向异性的拉伸测试分析。
本发明通过下述技术方案实现：
一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，先建立拉伸试件的三维模型，然后将拉伸试件的三维模型加工成形，再将成形的拉伸试件固定在拉伸试验设备上进行测试分析，所述三维模型包括中间拉伸段，所述中间拉伸段的两端对称设置有2个过渡段，所述过渡段的端部设置夹持段，所述中间拉伸段包括点阵结构或多孔结构，所述点阵结构或多孔结构的外壁包覆一层等厚薄壁结构，所述过渡段用于连接中间拉伸段和夹持段，所述夹持段用于与进行拉伸测试的测试设备连接。
由于拉伸试件是以三维模型为操作对象，其中间拉伸段、过渡段和夹持段的尺寸均可进行调节，其中，过渡段与夹持段可根据中间拉伸段尺寸大小以及相关设计要求进行设计；所述等厚薄壁结构紧贴点阵结构或多孔结构，用于维持拉伸试件的非拉伸方向的形状，所述等厚薄壁结构的壁厚大小主要根据中间拉伸段点阵或多孔结构的平均截面面积大小进行设计。
本发明拉伸试件是以三维模型为操作对象，设计尺寸可进行调节，不仅操作方便，且成形便捷，制备的拉伸试件能够与进行拉伸测试的测试设备连接进行拉伸测试，通过本发明所述测试方法能够实现各种点阵或多孔结构的各向异性的拉伸测试分析。
本发明通过将点阵结构或多孔结构置于拉伸试件的中间位置，并通过等厚薄壁结构包裹，固定在相关测试设备上进行拉伸测试，可有效的测试点阵或多孔结构的各向异性。
进一步地，包括以下步骤：
步骤1：建立拉伸试件的三维模型，包括以下步骤：
步骤11：建立点阵结构或多孔结构，对于点阵结构，先建立点阵结构单元，然后将点阵结构单元沿单元坐标的相互垂直的三个方向进行周期阵列获得点阵结构；对于多孔结构，通过参数化建模软件，生成块状随机多孔结构；
步骤12：建立中间拉伸段，在阵列的点阵结构或多孔结构上沿不同方向截取一段作为拉伸段，在拉伸段的外壁包覆一层等厚薄壁结构形成中间拉伸段；
步骤13：在中间拉伸段的两端添加过渡段；
步骤14：在过渡段的端部添加夹持段完成三维模型制备；
步骤2：将建立的三维模型加工成形，再将成形的拉伸试件固定在拉伸试验设备上进行测试分析。
进一步地，还包括对成形拉伸试件的后处理，所述后处理包括去除点阵结构或多孔结构内部未熔化的粉末、夹持段加工和拉伸试件的热处理。
具体地，所述后处理主要有进行内部粉末的去除，将点阵结构或多孔结构内部未熔化的粉末通过通孔结构进行去除，然后根据拉伸试样件的相关要求进行相应的加工处理，如在夹持段加工螺纹等，并可进行相应的热处理等，来提高成形件的整体力学性能。
进一步地，拉伸段为圆柱段、板状段或方块段。
进一步地，点阵结构单元的类型包括金刚石单元、X型单元、正四面体方形单元、正四面体圆柱单元、正六面体圆柱单元、正六面体方形单元、正八面体单元或六角对称单元，所述多孔结构的类型包括均匀多孔结构、随机多孔结构、梯度多孔结构。
其中，单元的结构尺寸可根据力学性能要求进行设计。例如，可通过增大点阵结构单元杆直径来提高点阵结构的强度。并且，通过阵列不同的单元可建出不同单元的点阵结构模型。
可根据设计要求的力学性能改变多孔结构的孔隙率、平均孔径大小和孔棱直径等特征参数。
进一步地，过渡段和夹持段上均设置有通孔，所述通孔的方向与拉伸试件的拉升方向一致，所述通孔用于实现点阵结构或多孔结构与外部连通。
其中，通的孔结构布局及尺寸大小根据点阵或多孔结构与过度段的接触面形状不同进行设计，其中通孔应尽可能的避免位于点阵结构或多孔支架与过度段接触位置，防止在连接处产生应力集中，从而影响测试件的整体力学性能，并且通孔尽可能均匀分布，设置通孔的目的是将中间拉伸段的点阵或多孔结构内部多余未熔化粉末通过通孔结构去除。
进一步地，过渡段为斜面过渡和圆弧面过渡。
进一步地，夹持段包括非螺纹类型和螺纹类型，当夹持段为非螺纹类型时，用液压机构压紧装置夹持从而将拉伸试件固定在测试设备上进行拉伸测试；当夹持段为螺纹类型时，所述夹持段与拉伸装置上固定拉伸试件的螺纹套旋紧实现拉伸试件的固定。
进一步地，点阵结构杆交汇的节点处设置有球形连接结构。
增加杆连接的稳定性，并可避免在连接处产生应力集中。
进一步地，加工成形的方法为3D打印。
3D打印即根据上述拉伸试件的三维模型，将材料逐层叠加得到实体的制造方法，具体工艺包括选区激光熔化、选区激光烧结、电子束选区熔化、熔融沉积制造、分层实体制造等成形工艺进行成形制造，但不限于上述成形方法实现。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明拉伸试件是以三维模型为操作对象，设计尺寸可进行调节，不仅操作方便，且成形便捷，制备的拉伸试件能够与进行拉伸测试的测试设备连接进行拉伸测试，通过本发明所述测试方法能够实现各种点阵或多孔结构的各向异性的拉伸测试分析。
2、本发明通过将点阵结构或多孔结构置于拉伸试件的中间位置，并通过等厚薄壁结构包裹，固定在相关测试设备上进行拉伸测试，可有效的测试点阵或多孔结构的各向异性。
3、本发明所述点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，适用于金刚石单元、X型单元、正四面体方形单元、正四面体圆柱单元、正六面体圆柱单元、正六面体方形单元、正八面体单元、六角对称单元等不同单元类型构成的点阵结构以及不同特征参数的多孔结构的各向异性的测试分析。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是金刚石点阵结构的单元结构的示意图；
图2是金刚石单元阵列点阵结构的示意图；
图3是截取的圆柱段点阵结构的示意图；
图4是包有等厚薄壁结构的圆柱段点阵结构的剖视图；
图5是拉伸试件的整体剖视图；
图6是不同截取方向的示意图；
图7是十字周期点阵结构的示意图
图8是极小曲面结构的示意图；
图9是随机多孔结构的示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-中间拉伸段，2-等厚薄壁结构，3-过渡段，4-夹持段，5-通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例以金刚石单元点阵结构为例进行说明，其它点阵结构与多孔结构实施方法可根据此方法进行实施。
以金刚石单元点阵结构为例进行说明，其他点阵结构与多孔结构实施方法可根据此方法进行实施。
以如图1所示的金刚石单元件为例(以下表述中，尺寸作无量纲处理)，根据金刚石晶胞结构，建立单元模型，其中单元杆直径为1.6，单元尺寸为4，然后在杆连接处增加球形连接结构，球直径为1.95，对该单元进行三维阵列操作得到图2所示的点阵结构，在该点阵结构内部沿长边方向截取一段直径为10.4，长为60的圆柱点阵结构，可得到如图3所示的圆柱状点阵结构；在其四周设置厚0.8，长60的圆筒的等厚薄壁结构2紧贴于点阵结构外侧，可得到如图4所示的中间拉伸段1；在图4点阵结构与等厚薄壁结构2两端添加过渡段3与夹持段4，其中过渡段3选择圆弧面过渡，圆弧直径为20，不同拉伸段也可根据拉伸段直径再参照标准拉伸试验件尺寸标准进行确定，并根据夹持设计要求设计圆柱夹持段4，本次设计夹持段长为20，直径为16，表面不加工螺纹，通过液压压紧机构压紧固定，实现拉伸件在拉伸试验设备上的装夹固定；然后在夹持段4和过渡段3内部设置通孔5，本次设计选用直径为1的通孔5，用于后期粉末去除，可得到如图5所示长为100的金刚石单元点阵结构拉伸试件三维模型。
选用3D打印工艺将该拉伸件打印成形，并将成形件的内部未熔化的多余粉末通过通孔去除，实现拉伸件的成形制备，将该成形件装夹在拉伸设备上便可实现该方向拉伸性能的测试。如图6所示沿不同方向截取点阵结构，进行上述相同操作，便可实现金刚石点阵结构不同方向上拉伸性能的测试，由此便可实现金刚石点阵结构各向异性的测试。
实施例2：
以图6所示的金刚石单元阵列为例，进一步说明对于同一种点阵或多孔结构如何选取不同方向的点阵结构或多孔结构进行该方向力学性能的测试。图6所示为金刚石点阵结构XOZ平面示意图，首先沿X方向即晶胞[100]方向截取一段圆柱段，进行该方向上拉伸力学性能的测试，同时沿X轴逆时针方向旋转45°的方向截取圆柱段，便可测试金刚石点阵结构[101]方向的拉伸力学性能，同样的沿X轴逆时针方向旋转67.5°的方向截取圆柱段，便可测试金刚石点阵结构[102]方向的拉伸力学性能，沿X轴逆时针方向旋转90°的方向截取圆柱段，便可测试金刚石点阵结构[001]方向的拉伸力学性能。
同理可测试不同单元点阵结构任意方向的力学性能，上述测试方向的选取不仅适用于多种点阵结构，同样适用于多孔结构的各向异性的测试。
实施例3：
如图7-图9所示，为十字周期点阵结构、极小曲面单元点阵结构和随机多孔结构示意图，本文所述各向异性的测试方法不仅适用于金刚石点阵结构、十字周期点阵等多种点阵结构各向异性的测试，同时可进行极小曲面单元点阵结构，以及随机多孔结构各向异性的测试。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，先建立拉伸试件的三维模型，然后将拉伸试件的三维模型加工成形，再将成形的拉伸试件固定在拉伸试验设备上进行测试分析，所述三维模型包括中间拉伸段（1），所述中间拉伸段（1）的两端对称设置有2个过渡段（3），所述过渡段（3）的端部设置夹持段（4），所述中间拉伸段（1）包括点阵结构或多孔结构，所述点阵结构或多孔结构的外壁包覆一层等厚薄壁结构（2），所述过渡段（3）用于连接中间拉伸段（1）和夹持段（4），所述夹持段（4）用于与进行拉伸测试的测试设备连接；
包括以下步骤：
步骤1：建立拉伸试件的三维模型，包括以下步骤：
步骤11：建立点阵结构或多孔结构，对于点阵结构，先建立点阵结构单元，然后将点阵结构单元沿单元坐标的相互垂直的三个方向进行周期阵列获得点阵结构；对于多孔结构，通过参数化建模软件，生成块状随机多孔结构；
步骤12：建立中间拉伸段（1），在阵列的点阵结构或多孔结构上沿不同方向截取一段作为拉伸段，在拉伸段的外壁包覆一层等厚薄壁结构（2）形成中间拉伸段（1）；
步骤13：在中间拉伸段（1）的两端添加过渡段（3）；
步骤14：在过渡段（3）的端部添加夹持段（4）完成三维模型制备；
步骤2：将建立的三维模型加工成形，再将成形的拉伸试件固定在拉伸试验设备上进行测试分析。
2.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，还包括对成形拉伸试件的后处理，所述后处理包括去除点阵结构或多孔结构内部未熔化的粉末、夹持段（4）加工和拉伸试件的热处理。
3.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，所述拉伸段为圆柱段、板状段或方块段。
4.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，所述点阵结构单元的类型包括金刚石单元、X型单元、正四面体方形单元、正四面体圆柱单元、正六面体圆柱单元、正六面体方形单元、正八面体单元或六角对称单元，所述多孔结构的类型包括均匀多孔结构、随机多孔结构、梯度多孔结构。
5.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，所述过渡段（3）和夹持段（4）上均设置有通孔（5），所述通孔（5）的方向与拉伸试件的拉升方向一致，所述通孔（5）用于实现点阵结构或多孔结构与外部连通。
6.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，所述过渡段（3）为斜面过渡和圆弧面过渡。
7.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，所述夹持段（4）包括非螺纹类型和螺纹类型，当夹持段（4）为非螺纹类型时，用液压机构压紧装置夹持从而将拉伸试件固定在测试设备上进行拉伸测试；当夹持段（4）为螺纹类型时，所述夹持段（4）与拉伸装置上固定拉伸试件的螺纹套旋紧实现拉伸试件的固定。
8.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，所述点阵结构杆交汇的节点处设置有球形连接结构。
9.根据权利要求1所述的一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，其特征在于，所述加工成形的方法为3D打印。
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