CN111659892A - 基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构及其3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打印方法，复合吸能结构由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层沉淀型微桁架结构组成，所述的沉淀型微桁架结构则由部分挖空的单晶型微桁架结构、以及填充满单晶型微桁架结构的挖空区域的沉淀晶格组成，所述的沉淀晶格由若干沉淀单元周期性排列而成，所述的二维点阵结构单元与沉淀单元均为对角形单元，且沉淀单元的尺寸小于二维点阵结构单元。与现有技术相比，本发明通过设置内部沉淀单元，改变了点阵型微桁架结构在压缩变形过程中裂纹沿着单一方向快速扩展的特点，保证平台区的平台应力始终维持在较高的应力水平，以此实现轻质高强的结构目标，并保证了非常优异的能量吸收性能。

Description

基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打 印方法

技术领域

本发明属于复合吸能结构技术领域，涉及一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打印方法。

背景技术

多孔结构普遍存在于自然界之中，例如动物骨骼、蜂窝结构和植物茎秆等都属于多孔结构。这种特殊的结构具有众多优异的力学性能，密度小、重量轻、具有良好的比强度和比刚度。由于其具有成为理想的轻质结构材料的潜力，近年来引起了人们的普遍研究。多孔结构包括蜂窝材料、泡沫金属材料以及点阵材料等等。通常,多孔结构单位体积的重量仅是其他材料的十分之一。

点阵型微桁架结构是一类由周期性排列的节点和连杆组合而成的新型有序多孔材料，这种新型结构将材料本身机械性能优势与几何取向的自由设计相结合。与金属泡沫、蜂窝材料等传统多孔结构相比，点阵型微桁架结构具有更突出的比刚度、比强度和良好的单位质量能量吸收特性，是目前国际上普遍认可的具有发展前景的轻质高强结构材料之一。

点阵型微桁架结构可以通过结构的重新设计结合相应的理论计算，表现出常规材料难以具有的某些特性，如负泊松比、减振隔热等功能特性；进一步，通过选用合适的材料来配合增材制造技术，点阵型微桁架结构可以实现轻质高强的结构特性。点阵型微桁架结构由于其具有卓越的物理和机械性能，已越来越多地应用于汽车、生物机械、航空航天和建筑等行业。

然而，点阵型微桁架结构的设计和制造仍然是一个挑战，并且其结构与性能的关系尚未完全解决。因此，若要使点阵型微桁架结构在实际应用中满足使用要求，尤其是对于要求较高的生物机械、航空航天等方面取得更广泛的应用，就需要开发新的桁架结构制备工艺和材料设计方法，实现结构与性能的对应。

迄今为止，针对这种新型结构材料，研究成果主要集中于具有单一取向的点阵型微桁架结构。这种结构的弊端在于，其单一的晶格取向导致压缩过程中形变往往高度集中在某些特定的晶格方向和平面上。当载荷超过这种结构的屈服极限时，其应变集中的部分同时失效，这种现象在应力-应变曲线中体现为，在很大的应变范围内应力的大幅度下降，最终导致其力学性能和吸收能量的降低。这种变形行为类似于单晶材料中由于滑移引起的应力减小。因此，如何对这种具有单一取向的点阵型微桁架结构的复合吸能材料进行改进成为了研究重点与热点。本发明也正是基于此而提出的。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打印方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提出了一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层沉淀型微桁架结构组成，定义由单一取向的二维点阵结构单元所组成的点阵型微桁架结构为单晶型微桁架结构，所述的沉淀型微桁架结构则由部分挖空的单晶型微桁架结构、以及填充满单晶型微桁架结构的挖空区域的沉淀晶格组成，所述的沉淀晶格由若干沉淀单元周期性排列而成，所述的二维点阵结构单元与沉淀单元均为对角形单元，且沉淀单元的尺寸小于二维点阵结构单元。

进一步的，对角形单元呈两对角线连接的矩形，即由一个矩形框架并连接对角形而成。

进一步的，所述单晶型微桁架结构按照沉淀晶格的数量划分为等大小的一份或若干份沉淀型微桁架区域，且当沉淀型微桁架区域划分为若干份时，相邻两沉淀型微桁架区域沿其共用边界线对称，每份沉淀型微桁架区域的中心区域挖空并设有一个所述沉淀晶格。

更进一步的，所述沉淀晶格设有4个。

更进一步的，所述沉淀晶格与沉淀型微桁架区域的挖空区域的中心点重合。

进一步的，排列在沉淀晶格内的沉淀单元以该沉淀晶格的中心点中心对称。

进一步的，所述单晶型微桁架结构的尺寸参数为长×宽×高＝49mm×49mm×50mm，对应每个二维点阵结构单元的尺寸为：长×宽×高＝7mm×7mm×7mm，每个沉淀单元的尺寸为：长×宽×高＝5mm×6mm×7mm。更进一步的，所述的对角形单元由宽度为1mm的连杆拼成。更进一步优选的，相邻的两对角形单元共用边界。

进一步的，沉淀晶格由9个沉淀单元按3×3周期性排列而成。

本发明的技术方案之二提供了一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构的3D打印方法，包括以下步骤：

以沉淀型微桁架结构的表面作为X-Y平面，以其高度方向作为Z轴，然后，沿Z轴方向逐层打印所述沉淀型微桁架结构。

与现有技术相比，本发明借鉴于晶体学的微观强化机制，通过在点阵型微桁架结构中人为设置沉淀结构单元，以改变沉淀型微桁架结构内部完全周期性的点阵排列方式，使点阵型微桁架结构在相同的相对密度下得到类似沉淀强化的增强效果，在保证轻量化的同时进一步提高其力学性能。具体而言，在保证几乎相同的压缩强度第一峰值的基础上，通过设置内部沉淀单元，改变了点阵型微桁架结构在压缩变形过程中裂纹沿着单一方向快速扩展的特点，保证平台区的平台应力始终维持在较高的应力水平，以此实现轻质高强的结构目标，并保证了非常优异的能量吸收性能。

附图说明

图1为对角形单元的结构示意图；

图2为对角形单元单晶型微桁架结构的示意图；

图3为沉淀晶格数为1的对角形单元沉淀型微桁架结构的示意图；

图4为沉淀晶格数为2的对角形单元沉淀型微桁架结构的示意图；

图5为沉淀晶格数为4的对角形单元沉淀型微桁架结构的示意图；

图6为沉淀晶格的示意图；

图7为沉淀晶格体积分数为

的对角形单元沉淀型微桁架结构压缩应力—应变曲线；

图8为沉淀晶格体积分数为

的对角形单元沉淀型微桁架结构压缩应力—应变曲线；

图9为沉淀晶格体积分数为

的对角形单元沉淀型微桁架结构压缩应力—应变曲线；

图10为沉淀晶格体积分数为

的对角形单元沉淀型微桁架结构压缩应力—应变曲线；

图11为对角形单元沉淀型微桁架结构压缩屈服强度随沉淀晶格体积分数的关系曲线；

图12为对角形单元沉淀型微桁架结构压缩模量随沉淀晶格体积分数的关系曲线；

图13为对角形单元沉淀型微桁架结构流变应力(取ε＝5～10％应力平均值)随沉淀晶格体积分数的关系曲线；

图中标记说明：

1-对角形单元，2-沉淀晶格，3-沉淀单元，4-连杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明中，采用Abaqus有限元模拟软件模拟压缩试验过程。

利用建模软件Inventor建立点阵型微桁架结构模型，模型的几何参数为49mm×49mm×50mm，由于模型在Z轴方向上的几何构型完全一致，为简化计算，仅构建49mm×49mm×0.5mm的三维模型，将生成的结构模型以独立实体的形式导入到有限元软件Abaqus中。以离散刚体的形式构建刚体板，刚体板采用壳单元模型，平面尺寸参数为60mm×1mm。分析步采用Abaqus/Standard求解器。在边界条件设置时，对两块刚体板施加位移约束。具体地，将第一块刚体板设置在结构模型的下方，并施加固定约束，同时限制其所有的自由度；对另一块刚体板施加Y方向的位移边界条件，同时限制其除了Y方向以外的其他自由度。采用通用接触算法来模拟其他可能在压缩过程中相互接触的表面；采用罚摩擦模型来应对可能出现的复杂摩擦行为，摩擦系数设置为0.3。采用剪切失效的损伤演化模型定义PLA材料，断裂应变为0.1021(基于拉伸试验)。最后，采用C3D8R单元(八节点六面体线性减缩积分单元)进行网格划分。

压缩试验应按照国家标准GB/T 31930-2015：金属材料延性试验方法以及多孔状和蜂窝状金属压缩试验方法进行。以试样的Z轴方向作为压缩方向，压缩载荷的加载速率为5mm/min。在压缩试验的有限元模拟中，记录压缩力—位移曲线。以实验过程中施加于试样的实际压缩力与其原始横截面积的比值作为压缩应力，绘制压缩应力—应变曲线。以曲线平台结束点处的区域积分所得的能量值作为吸收能量，并计算吸收能量效率。并通过有限元分析的动态响应过程分析结构的变形及断裂特点。

其中，吸收能量和吸收能量效率分别按照以下公式计算得出：

式中：w为吸收能量(MJ/m³)；w_e为吸收能量效率(％)；σ为压缩应力(N/mm²)；e₀为压缩应变上限(此处取20％)；σ₀为压缩应变上限对应的压缩应力(N/mm²)。

本发明中，设计由单一取向的二维点阵结构单元所组成的点阵型微桁架结构，考虑到这种特殊的结构尚未存在明确的名词定义，将其称为单晶型微桁架结构。为追求更高的比强度，本发明主要选取对角形单元1来设计点阵型微桁架结构，对角形单元1的形状如图1所示，其对角形单元1呈两对角线连接的矩形，即由一个矩形框架并连接对角形而成。本发明介绍的所有点阵型微桁架模型都可以使用Inventor软件设计并建模。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规结构或常规处理技术。

本发明提出了一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层沉淀型微桁架结构组成，定义由单一取向的二维点阵结构单元所组成的点阵型微桁架结构为单晶型微桁架结构，所述的沉淀型微桁架结构则由部分挖空的单晶型微桁架结构、以及填充满单晶型微桁架结构的挖空区域的沉淀晶格2组成，所述的沉淀晶格2由若干沉淀单元3周期性排列而成，所述的二维点阵结构单元与沉淀单元3均为对角形单元1，且沉淀单元3的尺寸小于二维点阵结构单元。

在本发明的一种具体的实施方式中，对角形单元1呈两对角线连接的矩形，即由一个矩形框架并连接。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述单晶型微桁架结构按照沉淀晶格2的数量划分为等大小的一份或若干份沉淀型微桁架区域，且当沉淀型微桁架区域划分为若干份时，相邻两沉淀型微桁架区域沿其共用边界线对称，每份沉淀型微桁架区域的中心区域挖空并设有一个所述沉淀晶格2。

更进一步的，所述沉淀晶格2设有4个。

更进一步的，所述沉淀晶格2与沉淀型微桁架区域的挖空区域的中心点重合。

在本发明的一种具体的实施方式中，排列在沉淀晶格2内的沉淀单元3以该沉淀晶格2的中心点中心对称。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述单晶型微桁架结构的尺寸参数为长×宽×高＝49mm×49mm×50mm，对应每个二维点阵结构单元的尺寸为：长×宽×高＝7mm×7mm×7mm，每个沉淀单元3的尺寸为：长×宽×高＝5mm×6mm×7mm。更进一步的，所述的对角形单元1由宽度为1mm的连杆4拼成。更进一步优选的，相邻的两对角形单元1共用边界。

在本发明的一种具体的实施方式中，沉淀晶格2由9个沉淀单元3按3×3周期性排列而成，即横纵向分别排列3个。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例：

本实施例提供一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，采用PLA材料作为3D打印材料，其结构参见图1、图3-图6所示，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层沉淀型微桁架结构组成，定义由单一取向的二维点阵结构单元所组成的点阵型微桁架结构为单晶型微桁架结构，所述的沉淀型微桁架结构则由部分挖空的单晶型微桁架结构、以及填充满单晶型微桁架结构的挖空区域的沉淀晶格2组成，所述的沉淀晶格2由若干沉淀单元3周期性排列而成，所述的二维点阵结构单元与沉淀单元3均为对角形单元1，且沉淀单元3的尺寸小于二维点阵结构单元。

本实施例在具体设计过程中，采用的单晶型微桁架结构的尺寸参数为49mm×49mm×50mm，其结构单元的[100]、[010]方向与有限元分析全局坐标系中的X、Y轴方向一致。对角形单元1的尺寸参数为7mm×7mm×7mm，连杆4宽度为1mm，以相同的节点和连杆4排列连接形成完整的结构，如图2。单晶型微桁架沿着X方向和Y方向分别包含了8个二维点阵结构单元，总共包含64个二维点阵结构单元。

设计由周期排列的对角形单元1以及内嵌的沉淀单元3所组成的点阵型微桁架结构，同样由于这种结构尚未存在明确的名词定义，将其称为沉淀型微桁架结构。在上述的单晶型微桁架结构的基础上，将其内部中心处尺寸参数为13mm×16mm的区域清除，该区域将由沉淀单元3代替，该中心点为沉淀晶格2的中心点。将沉淀型微桁架结构的左上方边缘处设为坐标原点(0,0)，则该中心点的坐标为(24.5，24.5)。单个沉淀单元3的尺寸参数为5mm×6mm，连杆4宽度为1mm，同样为对角形单元1，但其长宽尺寸不等。沉淀晶格2所在的中心区域共由3×3个沉淀单元3周期性排列而成，如图3和图6所示，此时，沉淀晶格2数为1。

类似地，为使沉淀单元3的体积分数发生变化而同时保证沉淀型微桁架结构的相对密度保持不变，可变换沉淀晶格2的中心点坐标，并设置左右对称的多个沉淀晶格2，如图4和5。对于图4，中心点的坐标分别为(12.5，24.5)和(36.5，24.5)，沉淀晶格2的数量为2个；对于图5，中心点的坐标分别为(12.5，12.5)、(12.5，36.5)、(36.5，12.5)和(36.5，36.5)，沉淀晶格2的数量为4个。对于图4和图5，单个沉淀单元3的尺寸参数为5mm×6mm，连杆4宽度为1mm，沉淀晶格2所在的中心区域共由3×3个沉淀单元3周期性排列而成。

测试上述实施例所得到的对角形单元沉淀型微桁架结构的力学性能，其中，图7-图10为各沉淀晶格2体积分数的对角形单元沉淀型微桁架结构压缩应力—应变曲线，图11则为对角形单元沉淀型微桁架结构压缩屈服强度随沉淀晶格2体积分数的关系曲线，图12为对角形单元沉淀型微桁架结构压缩模量随沉淀晶格2体积分数的关系曲线，图13为对角形单元沉淀型微桁架结构流变应力(取ε＝5～10％应力平均值)随沉淀晶格2体积分数的关系曲线，可见，在所有以上沉淀单元3的排列方式中，当沉淀晶格2的个数为4时(即图5)，不仅具有较高的压缩强度第一峰值，同时在平台区仍能维持较高的应力水平，保证了良好的能量吸收效率，故为更优选的方案。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层沉淀型微桁架结构组成，定义由单一取向的二维点阵结构单元所组成的点阵型微桁架结构为单晶型微桁架结构，所述的沉淀型微桁架结构则由部分挖空的单晶型微桁架结构、以及填充满单晶型微桁架结构的挖空区域的沉淀晶格组成，所述的沉淀晶格由若干沉淀单元周期性排列而成，所述的二维点阵结构单元与沉淀单元均为对角形单元，且沉淀单元的尺寸小于二维点阵结构单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，对角形单元呈两对角线连接的矩形。

3.根据权利要求1所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述单晶型微桁架结构按照沉淀晶格的数量划分为等大小的一份或若干份沉淀型微桁架区域，且当沉淀型微桁架区域划分为若干份时，相邻两沉淀型微桁架区域沿其共用边界线对称，每份沉淀型微桁架区域的中心区域挖空并设有一个所述沉淀晶格。

4.根据权利要求3所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述沉淀晶格设有4个。

5.根据权利要求3所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述沉淀晶格与沉淀型微桁架区域的挖空区域的中心点重合。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，排列在沉淀晶格内的沉淀单元以该沉淀晶格的中心点中心对称。

7.根据权利要求1所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述单晶型微桁架结构的尺寸参数为长×宽×高＝49mm×49mm×50mm，对应每个二维点阵结构单元的尺寸为：长×宽×高＝7mm×7mm×7mm，每个沉淀单元的尺寸为：长×宽×高＝5mm×6mm×7mm。

8.根据权利要求7所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述的对角形单元由宽度为1mm的连杆拼成。

9.根据权利要求1所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，沉淀晶格由9个沉淀单元按3×3周期性排列而成。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于对角形单元沉淀型微桁架结构的复合吸能结构的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

以沉淀型微桁架结构的表面作为X-Y平面，以其高度方向作为Z轴，然后，沿Z轴方向逐层打印所述沉淀型微桁架结构。

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