CN111703067B - 基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3d打印方法 - Google Patents

基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于正方形单元孪晶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打印的若干层孪晶型微桁架结构组成，所述的孪晶型微桁架结构由以中间线为对称线的两部分孪晶型微桁架区域，两部分孪晶型微桁架区域则由以中间线为对称线的左右两部分单晶型微桁架结构分别绕Z轴做方向相反、角度相同旋转形成，所述的二维点阵列结构单元为正方形单元。与现有技术相比，本发明在保证几乎相同的压缩强度第一峰值的基础上，通过设置孪晶界，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

基于正方形单元孪晶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，涉及一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构。
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正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构及其3D打印方法，以解决现有单晶材料存在的力学性能和吸收能量降低等问题。
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正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层孪晶型微桁架结构组成，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，所述的孪晶型微桁架结构包括以中间线为对称线的两部分孪晶型微桁架区域，两部分孪晶型微桁架区域则由以中间线为对称线的左右两部分单晶型微桁架结构分别绕Z轴做方向相反、角度相同旋转形成，所述的二维点阵列结构单元为正方形单元。
进一步的，旋转的角度为7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°或42.5°。更进一步的，旋转的角度为15°或30°。
进一步的，孪晶型微桁架结构所用的打印材料为PLA材料。
进一步的，所述的孪晶型微桁架结构的尺寸参数为：长×宽×高＝49mm×49mm×50mm。更进一步的，每个正方形单元的尺寸参数为：长×宽×高＝7mm×7mm×7mm。更进一步优选的，所述的正方形单元以相同的节点用连杆排列连接而成。更优选的，所述的连杆的厚度为1mm。
进一步的，对称线作为两部分孪晶型微桁架区域的公共边界。
本发明的技术方案之二提出了一种基于正方形单元孪晶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：
以孪晶型微桁架区域内的正方形单元的[100]、[010]方向分别作为x轴和y轴，以高度方向作为Z轴，然后，沿Z轴方向逐层打印所述孪晶型微桁架结构。
与现有技术相比，本发明通过从微观金属强化机制——孪晶现象得到启发，通过在点阵型微桁架结构中人为设置孪晶角和孪晶界，使点阵型微桁架结构得到类似的强化效果，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，通过设置孪晶界，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为正方形单元的结构示意图；
图2为现有的基于正方形单元单晶型微桁架结构的复合吸能结构的示意图；
图3为本发明的正方形单元孪晶型微桁架结构(孪晶角θ＝60°)的示意图；
图4为本发明的正方形单元孪晶型微桁架结构(孪晶角θ＝30°)的示意图；
图5为旋转角
Figure BDA0002516202470000031
的正方形形单元孪晶型微桁架结构压缩应力—应变曲线；
图6为旋转角
Figure BDA0002516202470000032
的正方形单元孪晶型微桁架结构压缩应力—应变曲线；
图7为旋转角
Figure BDA0002516202470000033
的正方形单元孪晶型微桁架结构压缩应力—应变曲线；
图8为旋转角
Figure BDA0002516202470000034
的正方形单元孪晶型微桁架结构压缩应力—应变曲线；
图9为正方形单元孪晶型微桁架结构压缩过程吸收能量及吸收能量效率随旋转角
Figure BDA0002516202470000035
的变化关系；
图中标记说明：
1-正方形单元，2-孪晶型微桁架区域，3-公共边界，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：
Figure BDA0002516202470000041
Figure BDA0002516202470000042
式中：w为吸收能量(MJ/m3)；we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。二维点阵型微桁架结构单元包括正方形单元、三角形单元、六边形单元、正方形单元、Kagome单元和矩形单元等。其中，本发明主要选取正方形单元来设计点阵型微桁架结构，如图1。
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正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其结构参见图3-图4所示，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层孪晶型微桁架结构组成，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，所述的孪晶型微桁架结构由以中间线为对称线的两部分孪晶型微桁架区域2，两部分孪晶型微桁架区域2则由以中间线为对称线的左右两部分单晶型微桁架结构分别绕Z轴做方向相反、角度相同旋转形成，所述的二维点阵列结构单元为正方形单元1。
在本发明的一种具体的实施方式中，旋转的角度为7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°或42.5°。更优选的，旋转的角度为15°或30°。
在本发明的一种具体的实施方式中，孪晶型微桁架结构所用的打印材料为PLA材料。
在本发明的一种具体的实施方式中，所述的孪晶型微桁架结构的尺寸参数为：长×宽×高＝49mm×49mm×50mm。更进一步的，每个正方形单元1的尺寸参数为：长×宽×高＝7mm×7mm×7mm。更进一步优选的，所述的正方形单元1以相同的节点用连杆4排列连接而成。更优选的，所述的连杆4的厚度为1mm。
在本发明的一种具体的实施方式中，对称线作为两部分孪晶型微桁架区域2的公共边界3。
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1：
本实施例提供了一种基于正方形单元孪晶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3-图4所示，由沿Z轴方向逐层进行3D打印的若干层孪晶型微桁架结构组成，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，所述的孪晶型微桁架结构由以中间线为对称线的两部分孪晶型微桁架区域2，两部分孪晶型微桁架区域2则由以中间线为对称线的左右两部分单晶型微桁架结构分别绕Z轴做方向相反、角度相同旋转形成，所述的二维点阵列结构单元为正方形单元1。
本实施例在具体设计过程中，援引的单晶型微桁架结构的尺寸参数为长×宽×高＝49mm×49mm×50mm，其结构单元的[100]、[010]方向(即二维点阵的x轴和y轴)与有限元分析全局坐标系中的X、Y轴方向一致。正方形单元1的尺寸参数为长×宽×高＝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田字形结构，参见如图2。单晶型微桁架结构沿着X方向和Y方向分别包含了8个二维点阵结构单元(即正方形单元1)，对应分别含有8个节点，总共包含64个二维点阵结构单元，每个节点即为正方形单元1的中心点，相邻两个正方形单元1共用田字形结构的外围边界的连杆4。
设计由对称取向的二维点阵结构单元所组成的点阵型微桁架结构，将其称为孪晶型微桁架结构。其在上述较大的单晶型微桁架结构的基础上，以中间线为对称线认为分隔成左右两个大小相同的对称区域，从而形成两个较小的对称的单晶型微桁架结构，对应的尺寸参数变化为长×宽×高＝25mm×49mm×50mm。接着，调整这两个相邻的单晶型微桁架结构区域内的点阵单元的取向，此时这两个区域之间产生了公共边界3，这个公共边界3用以模仿多晶材料中两个相邻晶粒之间的孪晶界。本发明中若没有特殊定义，这种大小相等、单元取向对称的区域都称为“准晶粒”(即为孪晶型微桁架区域2)，以对应多晶材料中的晶粒概念。
对准晶粒内部的点阵单元取向进行方向调整，具体为，在单晶型微桁架结构的基础上，以Z方向为旋转方向，整个模型的中点作为旋转参考点，将对称线一侧的单晶型微桁架结构顺时针旋转30°，成为孪晶型微桁架结构左侧的准晶粒；以相同的旋转方向和参考点，将对称线另一侧的单晶型微桁架结构逆时针旋转30°，成为孪晶型微桁架结构右侧的准晶粒。按此方法建模，形成的点阵单元在公共边界3的左右两侧呈镜像对称关系，形成孪晶型微桁架结构，如图3，其中的镜像边界(即公共边界3)可用以模拟孪晶界。旋转过程中，去除因旋转而超出孪晶型微桁架区域22的边界的部分，并对空出部分进行补充填满。
按照此方法，本实施例可以将旋转角设置为7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°、42.5°六种，以此形成两倍于旋转角的孪晶角，设孪晶角为θ，旋转角为
Figure BDA0002516202470000061
则有
Figure BDA0002516202470000062
组成此类孪晶型微桁架结构的二维点阵结构单元为正方形单元1，孪晶型微桁架结构的尺寸参数为49mm×49mm×50mm。正方形单元1的尺寸参数为7mm×7mm×7mm，连杆4宽度为1mm。值得注意的是其结构单元的[100]、[010]方向(即二维点阵的x轴和y轴)与有限元分析全局坐标系中的X、Y轴方向不再一致。
对上述实施例得到的正方形单元孪晶型微桁架结构进行性能测试，其中，图5-图8分别为不同旋转角的正方形形单元孪晶型微桁架结构压缩应力—应变曲线，图9为正方形单元孪晶型微桁架结构压缩过程吸收能量及吸收能量效率随旋转角
Figure BDA0002516202470000071
的变化关系；可知，在所有以上孪晶角的取值中，当孪晶角θ＝30°及孪晶角θ＝60°(即旋转角
Figure BDA0002516202470000072
及
Figure BDA0002516202470000073
)时，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)

1.一种基于正方形单元孪晶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打印的若干层孪晶型微桁架结构组成，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，所述的孪晶型微桁架结构包括以中间线为对称线的两部分孪晶型微桁架区域，两部分孪晶型微桁架区域则由以中间线为对称线的左右两部分单晶型微桁架结构分别绕Z轴做方向相反、角度相同旋转形成，所述的二维点阵结构单元为正方形单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，旋转的角度为7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°或42.5°。
3.根据权利要求2所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，旋转的角度为15°或30°。
4.根据权利要求1所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，孪晶型微桁架结构所用的打印材料为PLA材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述的孪晶型微桁架结构的尺寸参数为：长×宽×高＝49mm×49mm×50mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，每个正方形单元的尺寸参数为：长×宽×高＝7mm×7mm×7mm。
7.根据权利要求6所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述的正方形单元以相同的节点用连杆排列连接而成。
8.根据权利要求7所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，所述的连杆的厚度为1mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于正方形单元孪晶型微桁架结构的复合吸能结构，其特征在于，对称线作为两部分孪晶型微桁架区域的公共边界。
10.如权利要求1-9任一所述的基于正方形单元孪晶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：
以左半部分孪晶型微桁架区域或右半部分孪晶型微桁架区域的的正方形单元的[100]、[010]方向分别作为x轴和y轴，以高度方向作为Z轴，然后，沿Z轴方向逐层打印所述孪晶型微桁架结构。
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