中南大學(xué)頂刊丨基于增材制造的晶格結(jié)構(gòu)填充多胞管的一體化設(shè)計

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

薄壁結(jié)構(gòu)因其良好的耐沖擊性能和輕質(zhì)特性,，在倒塌過程中展現(xiàn)出穩(wěn)定且可控的變形模式,，因此在車輛被動安全系統(tǒng)中作為吸能結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用,。隨著對薄壁結(jié)構(gòu)能量吸收器的深入研究,，傳統(tǒng)空心管的耐撞性潛力已基本被挖掘完畢,。另一方面,，晶格結(jié)構(gòu)（LS）因其卓越的力學(xué)性能,、靈活的設(shè)計性和精確的定制特性而備受關(guān)注。此外,，增材制造技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更大的自由度,，使得研究人員可以將輕質(zhì)高強的復(fù)合材料引入復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

近期,，一些研究人員嘗試將LS填充到薄壁結(jié)構(gòu)中以提升其耐撞性,。內(nèi)部的LS可以通過相互作用改變薄壁結(jié)構(gòu)的變形模式,，使得混合結(jié)構(gòu)吸收的能量大于各組分之和。此外,，研究人員還優(yōu)化了晶格填料的參數(shù)和分布,，以實現(xiàn)最佳的耐撞性。然而,，目前的晶格填充薄壁結(jié)構(gòu)研究主要集中在金屬材料上,，而非復(fù)合材料。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用,！

中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院軌道交通安全教育部重點實驗室的汪馗教授課題組利用熔融沉積成型（FDM）技術(shù)，將短切碳纖維增強聚酰胺復(fù)合材料用于制造晶格結(jié)構(gòu)填充的多胞管,，設(shè)計了裝配成形和一體成形的晶格填充多胞管,，并通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗表征了該結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和能量吸收特性，詳細(xì)研究了多胞管和晶體結(jié)構(gòu)的變形機理和協(xié)同效應(yīng),。在此基礎(chǔ)上,，對兩種組合策略不同變形模式的復(fù)合格子填充多胞管的平均壓潰力進行了理論分析。理論結(jié)果與實驗研究吻合良好,，可推廣到其他具有不同填充構(gòu)型的晶格填充管,。

圖1.(a)晶格填充多胞管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸參數(shù)；(b) 晶格結(jié)構(gòu)的單胞,；(c) FDM的原理：不同組合策略的示意圖,；(d) 裝配成形的晶格填充多胞管；(e) 一體化成形的晶格填充多胞管

圖2.晶格填充管(裝配成形)及其各部分組件的(a)力-位移曲線和,；(b)能量吸收特性比較

圖3.晶格填充管(一體成形)及其各部分組件的(a)力-位移曲線和,；(b)能量吸收特性比較

從圖4的壓縮過程中可以看出，內(nèi)部的晶格填充影響了外管壁的變形模式早致折整數(shù)量蹈加,，從而顯著地提升了能量吸收性能,。其中，空多胞管和裝配成型的晶格填充管講入屈服階段后形成交替的折疊,。而一體成型的晶格填充管在變形過程中受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互作用影響,，其外部管壁的折疊變?yōu)閷ΨQ模式，并在多胞管的內(nèi)壁上產(chǎn)生了更多的塑性較鏈,。

圖4.(a) 空多胞管,；(b) 裝配成形的晶格填充多胞管和；(c) 一體成形的晶格填充多胞管的軸向壓縮過程

這些突破性的研究成果以題為《Integrated design and additive manufacturing of lattice-filled multi-cell tubes》的論文發(fā)表于復(fù)合材料Top頂級學(xué)術(shù)期刊《Composites Science and Technology》,。

該團隊系列工作先后研究了不同材料及構(gòu)型的薄壁結(jié)構(gòu)在不同加戴談率及環(huán)境溫度下的軸向壓流行為,、交形模式以及吸能特性，并考慮了采用熱壓處理方法對3D打印復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)界面性能的改善和耐撞性能的增強作用,。此外,，還基于FDM技術(shù)將功能材料引入薄壁給構(gòu)設(shè)計,，制造了具有形狀記憶功能的薄壁吸能結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的形狀可恢復(fù)性和吸能可逆性,。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110252