CN113125259B - 一种点阵结构准静态压缩试验件及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种点阵结构准静态压缩试验件及试验方法，涉及增材制造技术领域，能够更好测量增材制造点阵结构的准静态压缩性能，解决了对增材制造点阵结构不同单胞构型的压缩性能研究的难点；该试验件为点阵结构，所述点阵结构包括若干点阵单胞，所述点阵单胞沿着相互垂直的三个方向形成周期性阵列；所述点阵单胞的数量为216个或343个或512个；所述试验件是边长为12mm～64mm的立方体点阵结构。本发明提供的技术方案适用于增材制造和压缩性能试验的过程中。

Description

一种点阵结构准静态压缩试验件及试验方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种点阵结构准静态压缩试验件及试验方法。

背景技术

点阵结构是三维有序多孔结构的一种，由周期性的点阵单胞组成。可以通过单胞的构型和几何尺寸设计实现其功能性的调控。点阵结构与桁架结构类似，是由大量的杆件结构在空间内彼此相连组成的，区别在于点阵结构的尺寸要小得多。研究发现，点阵结构与当前常用的轻质材料相比，具有更高的比强度与比刚度。同时由于其内部有大量孔洞连通，具有良好的散热、隔热，减振降噪性能。

点阵结构因为其复杂性和特殊性，对其力学性能的研究一直是研究热点和难点，针对增材制造点阵结构的力学性能试验件设计，尚无完善的技术方案，限制了增材制造点阵结构的应用与发展。

中国发明专利201810799265.0公开了一种增材制造的微型桁架压缩试验件，包括：微桁架，为金字塔胞元正方形阵列组成的桁架结构；上蒙皮和下蒙皮，为正方形的板状结构，分别连接在所述微桁架对称的两个侧面；其中，所述微桁架与所述上蒙皮和下蒙皮采用增材制造工艺一体成形，该试验件完善了微桁架机构的优化设计和强度分析理论，为该类结构在航空领域进一步推广应用提供基础。但该发明仅涉及到一种单胞构型的点阵结构，且研究对象为夹芯结构，没有对不同单胞构型的点阵结构进行设计。

中国发明专利201710793732.4公开了一种用于点阵夹芯复合材料薄板力学性能复合测试的实验平台及测试方法。该平台包括通过螺栓组固定的夹具；用于进行拉伸试验的拉伸模块，包括动载物台、静载物台及驱动动载物台的电机与丝杠装置；用于进行平压试验的平压模块，包括支撑试件的质量块、连接质量块的连接板、支撑试件的支撑装置及驱动质量块的电机与丝杠装置；用于进行弯曲试验的弯曲模块；用于进行侧压试验的侧压模块。该装置能够实现一次性装卡复合薄板，确保边界条件不会改变，在同一位置测试两种以上的力学性能试验，节省实验空间。但该发明仅提供了试验装置，且试验对象为点阵夹芯的复合材料薄板，并未对增材制造的点阵结构进行研究。

因此，有必要研究一种点阵结构准静态压缩试验件及试验方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种点阵结构准静态压缩试验件及试验方法，能够更好测量增材制造点阵结构的准静态压缩性能，解决了对增材制造点阵结构不同单胞构型的压缩性能研究的难点。

一方面，本发明提供一种点阵结构准静态压缩试验件，其特征在于，所述试验件为点阵结构，所述点阵结构包括若干点阵单胞，所述点阵单胞沿着相互垂直的三个方向形成周期性阵列。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述点阵单胞的数量为216个或343个或512个。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述试验件是边长为12mm～64mm(优选36mm)的立方体点阵结构。

另一方面，本发明提供一种准静态压缩试验方法，其特征在于，所述方法针对如上任一所述的试验件进行；所述方法的步骤包括：

S1、对试验件进行尺寸测量并记录；

S2、对试验件进行预加载，以消除间隙；

S3、采用位移控制形式对试验件进行加载；

S4、分析试验结果，得到应力-应变曲线、压缩模量和抗压强度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述预加载的步骤包括：

S2.1、在室温条件下，将试验件放置在试验机工作台上，保证压头与试验件重合；

S2.2、调整压头位置使之与试验件上表面接触；

S2.3、放置防护罩；

S2.4、启动试验机，按预设速度进行载荷加载；

S2.5、卸载，直至载荷为零；

重复S2.1-S2.5,直至完成预定的预加载次数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2.4中采用位移控制方式以≤1mm/min的速度加载至≤10N的加载力度。优选5N。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3的具体步骤包括：

S3.1、采用位移控制方式以≤1mm/min的速度进行载荷加载；

S3.2、观察试验机得到的载荷-位移曲线，直到压缩量为80％以上，停止加载；

S3.3、卸载，直至载荷为零。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，如果压缩量到达80％前，试验件已无法继续承受增加载荷，则停止加载，使压头返回初始位置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述压缩量为压缩载荷下试验件高度的变化量与试验件初始高度之比。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中根据试验得到的力和位移数据，通过计算得到应力-应变曲线；

根据应力-应变曲线的初始弹性阶段计算弹性模量和抗压强度。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明通过将点阵单胞沿着相互垂直的三个方向进行周期性阵列，得到准静态压缩试验件，并建立应力-应变曲线，得到点阵结构的名义压缩模量和抗压强度，解决了对增材制造点阵结构不同单胞构型的压缩性能研究的难点；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：能够更好测量增材制造点阵结构的准静态压缩性能；

上述技术方案中的再一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的材料和结构形式适用于增材制造点阵结构，而非复合材料点阵结构；本发明的试验件结构为点阵阵列形式，无非夹芯形式。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的点阵结构准静态压缩试验方法流程图；

图2是本发明一个实施例提供的点阵结构(6×6×6)试验件示意图；

图3是本发明一个实施例提供的主要点阵单胞类型；

图4是本发明一个实施例提供的试验加载装置示意图；

图5是本发明一个实施例提供的四种点阵结构样件典型破坏形式示意图。

其中，图中：

1、试样；2、底座；3、压头；4、活塞；5、横梁。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足和难点，本发明的增材制造点阵结构试验件中，点阵单胞沿着相互垂直的三个方向进行周期性阵列，最终得到用于准静态压缩试验的点阵结构。通过准静态压缩试验，建立应力-应变曲线，得到点阵结构的名义压缩模量和抗压强度，为理论分析和有限元分析提供数据依据。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：试验件的点阵结构由点阵单胞周期性排列构成。

考虑到增材制造的材料特性和增材制造设备能力，点阵单胞边长尺寸大于或等于2mm且小于或等于8mm。点阵单胞沿着相互垂直的三个方向在一定范围内(每个方向单胞数量6～8)进行周期性阵列，最终得到用于本试验的点阵结构。即在长宽高方向上的单胞数目为6×6×6或7×7×7或8×8×8，每个试验件的总单胞数为216或343或512个。试验件尺寸过小无法准确计算，尺寸过大则可能产生其他破坏模式。因此，试验件是一个边长a等于12mm～64mm的立方体点阵结构。如图2所示。主要的几种点阵单胞类型如图3所示。

针对选定的单胞类型、尺寸和点阵结构的阵列方式，每组应至少测试6件试验件，按照图4所示的试验加载装置进行加载。涉及的测试方法的步骤如图1所示，包括：

步骤1：试验件测量：在试验前，对每件试验件进行尺寸测量。长、宽、高每个方向分别测量3次，记录并计算平均值。由于点阵结构较复杂，试验件尺寸测量值与名义值可能存在一定偏离。当长、宽、高任一尺寸测量值与名义值的差别大于10％时，此试验件被认为不可接受。

步骤2：预加载试验：采用万能材料试验机开展试验，在开始正式试验前，进行1至2次预加载试验，以消除间隙。

预加载试验的主要步骤包括：

a)在室温条件下，将一件点阵结构试验件放置在万能材料试验机水平工作台上，应保证加载中心与试验件形心重合；

b)调整压头位置使之与试验件上表面接触；

c)放置防护罩；

d)启动试验机，采用位移控制方式，以不高于1mm/min的速度加载至10N(优选5N)；

e)进行卸载，直至载荷为零；

f)重复上述d)和e)步骤；

g)保持试验件位置(底座和压头之间)。

步骤3：正式试验：在完成预加载后，可正式实施试验。正式试验采用位移控制形式加载。

正式试验的主要步骤包括：

a)启动试验机，采用位移控制方式，以不高于1mm/min的速度加载；

b)观察试验机得到的载荷-位移曲线；

c)直到压缩量到达80％，停止试验，并卸载；

d)如果压缩量到达80％前，试验件无法继续承受任何增加的载荷或任意载荷，均应及时停止试验，使压头返回初始位置。

压缩量定义为压缩载荷下试验件高度的变化值与试验件初始高度之比，即h/a，h为当前高度变化量，a为初始高度(即初始边长)。

步骤4：处理数据：将试验中得到的力和位移数据，通过计算得到应力-应变曲线。

具体的，按照公式(1)和(2)计算，得到点阵结构的名义应力和应变：

式中：

P——压头载荷，kN；

δ——压头位移，mm；

a——立方体试验件边长，mm，

A——名义压缩应力，MPa，

ε——名义压缩应变。

步骤5：计算压缩模量和抗压强度：基于应力-应变曲线的第I阶段(初始弹性阶段)计算弹性模量。选取第I阶段中达到第一次应力峰值前的所有数据点，以应变为自变量、应力为应变量，进行线性回归。回归所得直线的斜率即为点阵结构压缩模量E_c，初始弹性阶段中第一次达到的应力峰值，定义为点阵结构的名义抗压强度σ_max。

本发明经静态单向压缩实验进行了验证：采用万能材料试验机进行准静态单向压缩实验，从实验设备获得样件压缩过程中施加的载荷，以及与之对应的样件形变的数据，即点阵结构样件准静态压缩过程中载荷-位移的曲线，并得到点阵结构样件典型破坏形式如图5所示。

以上对本申请实施例所提供的一种点阵结构准静态压缩试验件及试验方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (3)

1.一种准静态压缩试验方法，其特征在于，所述方法针对点阵结构准静态压缩试验件进行；所述试验件为点阵结构，所述点阵结构包括若干点阵单胞，所述点阵单胞沿着相互垂直的三个方向形成周期性阵列；所述点阵单胞的数量为216个或343个或512个；

所述方法的步骤包括：

S1、对试验件进行尺寸测量并记录；

S2、对试验件进行预加载，以消除间隙；

S3、采用位移控制形式对试验件进行加载；

S4、分析试验结果，得到应力-应变曲线、压缩模量和抗压强度；

所述预加载的步骤包括：

S2.1、在室温条件下，将试验件放置在试验机工作台上，保证压头与试验件重合；

S2.2、调整压头位置使之与试验件上表面接触；

S2.3、放置防护罩；

S2.4、启动试验机，按预设速度进行载荷加载；

S2.5、卸载，直至载荷为零；

重复S2.1-S2.5,直至完成预定的预加载次数；

步骤S2.4中采用位移控制方式以≤1mm/min的速度加载至预设力度，所述预设力度≤10N；

步骤S3的具体步骤包括：

S3.1、采用位移控制方式以≤1mm/min的速度进行载荷加载；

S3.2、观察试验机得到的载荷-位移曲线，直到压缩量为80％以上，停止加载；

S3.3、卸载，直至载荷为零；

如果压缩量到达80％前，试验件已无法继续承受增加载荷，则停止加载，使压头返回初始位置；

所述压缩量为压缩载荷下试验件高度的变化量与试验件初始高度之比；

点阵结构的名义应力和应变公式为：

P--压头载荷，δ--压头位移，a--立方体试验件边长，σ--名义压缩应力，ε--名义压缩应变。

2.根据权利要求1所述的准静态压缩试验方法，其特征在于，步骤S4中根据试验得到的力和位移数据，通过计算得到应力-应变曲线；

根据应力-应变曲线的初始弹性阶段计算弹性模量和抗压强度。

3.根据权利要求1所述的准静态压缩试验方法，其特征在于，所述试验件是边长为12mm～64mm的立方体点阵结构。

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