增材制造八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為

李鑒石, 王永剛, 史同亞, 方嘉鋮

增材制造八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為

李鑒石, 王永剛*, 史同亞, 方嘉鋮

（寧波大學(xué) 沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 寧波 315211）

基于激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)(SLM), 以GP1不銹鋼為母材, 制備4種相對(duì)密度的八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試樣, 開(kāi)展了準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮和直接撞擊式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn), 并結(jié)合顯式有限元計(jì)算模擬, 研究了相對(duì)密度和加載速率對(duì)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試樣在力學(xué)響應(yīng)、變形模式和吸能特性的影響. 結(jié)果顯示: (1)相對(duì)密度是影響八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料力學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù), 屈服載荷隨著相對(duì)密度基本呈線性增長(zhǎng), 并且表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng); (2)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下, 隨著相對(duì)密度增大, 八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的變形模式由彎扭屈曲模式逐漸向穩(wěn)定屈服模式轉(zhuǎn)變; 而在沖擊壓縮下, 八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的變形模式隨著沖擊速度由對(duì)稱穩(wěn)定變形模式向非對(duì)稱逐漸壓垮模式轉(zhuǎn)變; (3)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)總吸能隨著相對(duì)密度線性增大, 而比吸能隨著相對(duì)密度呈現(xiàn)雙線性變化, 在相對(duì)密度30%處出現(xiàn)拐折, 當(dāng)相對(duì)密度高于30%后, 比吸能增大緩慢; (4)與準(zhǔn)靜態(tài)加載相比, 沖擊加載下八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的總吸能和比吸能都顯著提升.

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu); 金屬增材制造技術(shù); 變形模式; 數(shù)值模擬; 能量吸收

三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)憑借其優(yōu)秀的吸能特性、高孔隙率、輕量化、可設(shè)計(jì)性已被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、艦艇輪船、汽車等交通運(yùn)載工具的碰撞安全防護(hù)領(lǐng)域, 常見(jiàn)的三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有金字塔型、四面體型、Kagome型等[1], 制備方法常采用鑄造法、沖壓-焊接法、三維編織法等[2]. 人們已對(duì)金字塔型、四面體型等三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和吸能特性開(kāi)展了較多研究. 錢海峰等[3]、張蒙[4]制備了單層金字塔及改進(jìn)型金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu), 對(duì)其抗壓性能、剪切性能、三點(diǎn)彎性能進(jìn)行了研究. Feng等[5]使用連鎖裝配方法制備了一種類似金字塔結(jié)構(gòu)的沙漏桁架結(jié)構(gòu), 通過(guò)剪切實(shí)驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)其比剪切強(qiáng)度和彎曲破壞載荷均優(yōu)于金字塔桁架結(jié)構(gòu). 增材制造技術(shù)的快速發(fā)展, 為制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料提供了更好的加工手段, 促進(jìn)了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展[6]. Gümrük等[7]通過(guò)激光選區(qū)熔融技術(shù)(SLM)制備BCC、BCCZ、F2BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 研究了它們?cè)趬嚎s、剪切、拉伸等載荷下的力學(xué)行為, 結(jié)果表明相對(duì)密度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是決定點(diǎn)陣材料力學(xué)行為的兩個(gè)主要參數(shù). 鄭權(quán)等[8]利用SLM制備多層金字塔點(diǎn)陣夾層板, 通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn), 得到金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的抗壓縮強(qiáng)度, 發(fā)現(xiàn)制備的金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)抗壓縮性能的穩(wěn)定性非常好. Bai等[9]采用SLM制備梯度F2BCC點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和有限元模擬, 發(fā)現(xiàn)梯度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比均勻點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有更高的比吸能(SEA).

近年來(lái), 很多研究人員開(kāi)始關(guān)注八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(Octet-truss Lattice), 其滿足拉伸主導(dǎo)幾何構(gòu)型, 具有良好的吸能特性及各向同性等優(yōu)點(diǎn), 被證明是一種有潛力替代泡沫或蜂窩結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料[10]. Dong等[11]采用真空釬焊法制備Ti-6Al- 4V八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 通過(guò)單軸壓縮和平面剪切實(shí)驗(yàn), 獲得了結(jié)構(gòu)的剛度、抗壓強(qiáng)度和剪切模量. Gangireddy等[12]使用SLM制備一系列不同桿徑的八角桁架單胞, 通過(guò)分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)得到單胞10%應(yīng)變內(nèi)的載荷—位移曲線, 發(fā)現(xiàn)在10%應(yīng)變內(nèi), 抗壓強(qiáng)度隨相對(duì)密度增大而增大, 比吸能變化趨勢(shì)相反. Tancogne等[13]使用SLM制備八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和有限元模擬, 發(fā)現(xiàn)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比吸能是相對(duì)密度的單調(diào)遞增函數(shù).

目前, 人們對(duì)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究大多集中在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下, 但在實(shí)際應(yīng)用中, 其卻常常需承受沖擊載荷, 因此, 本文將關(guān)注八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在沖擊加載下的力學(xué)響應(yīng)與緩沖吸能性能. 利用SLM技術(shù)制備多組不同相對(duì)密度的八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)、直接撞擊式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)和瞬態(tài)有限元數(shù)值仿真, 研究八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)響應(yīng)、變形模式和吸能性能.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 幾何模型與試樣制備

1.1.1 幾何模型

式中: D為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中連接桿的直徑; L為連接桿的桿長(zhǎng). 如圖1(a)所示, 這里設(shè)定桿長(zhǎng)mm, 通過(guò)改變桿的直徑D, 當(dāng)D取0.66、0.97、1.23、1.46 mm時(shí), 可以分別得到相對(duì)密度為10%、20%、30%、40%的單胞. 試樣的幾何模型如圖1(b)所示, 單胞按4×4陣列, 上下設(shè)置1mm厚面板, 試樣表觀尺寸為28mm×28mm×9mm.

1.1.2 SLM制備試樣

使用EOSM280金屬3D打印機(jī), 以GP1不銹鋼粉末為母材, 其平均粒徑為35μm, 采用選區(qū)熔化技術(shù)制備試樣. 加工工藝參數(shù): 激光功率195W; 掃描速度1000mm·s-1; 鋪粉速度80mm·s-1; 層厚20μm, 基板預(yù)熱溫度80℃. 采用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的成型質(zhì)量, 如圖2(a)所示, 觀察到桿件成型質(zhì)量良好, 表面比較粗糙, 成型試樣的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸基本一致. 取出試樣中一根桿件, 對(duì)其橫截面和縱截面進(jìn)行打磨拋光, 然后在光學(xué)顯微鏡(放大倍數(shù)200倍)下觀察. 如圖2(b)和2(c)所示, 結(jié)果表明桿件內(nèi)部的致密度良好, 未觀察到孔隙.

圖2 桿件的制造質(zhì)量

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

采用MTS-810萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī), 并用位移控制方式對(duì)試樣進(jìn)行加載, 加載速率為0.54mm·min-1, 對(duì)應(yīng)試樣應(yīng)變率10-3s-1. 每個(gè)相對(duì)密度的試樣重復(fù)一次實(shí)驗(yàn), 以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性. 通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)性分析(Digital Image Correlation, DIC)方法計(jì)算試樣的準(zhǔn)確壓縮位移, 試樣壓縮過(guò)程的加載力由試驗(yàn)機(jī)的力傳感器記錄.

1.2.2 直接撞擊式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)

采用直接撞擊式霍普金森壓桿技術(shù)[14], 實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖3所示, 即摒棄傳統(tǒng)的入射桿. 將試樣安裝在透射桿前端, 子彈直接撞擊試樣, 這樣就避免了子彈長(zhǎng)度的限制, 實(shí)現(xiàn)一次加載就可將試樣壓實(shí). 由于試樣的波阻抗遠(yuǎn)小于壓桿波阻抗, 導(dǎo)致透射波信號(hào)很弱, 建議使用半導(dǎo)體應(yīng)變片來(lái)采集透射桿上應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù). 為提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試可靠性, 在試樣與透射桿之間還粘貼聚偏氟乙烯(PVDF)壓電式壓力傳感器. 試樣尺寸較大, 這里選擇直徑74mm, 長(zhǎng)3m的透射桿, 子彈長(zhǎng)0.4m.

圖3 直接撞擊式SHPB實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 力學(xué)響應(yīng)

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)得到試樣的載荷時(shí)程曲線, 再結(jié)合DIC方法處理得到的試樣位移—時(shí)程曲線, 消去時(shí)間后得到不同相對(duì)密度試樣在10-3s-1應(yīng)變率下的載荷—位移曲線. 如圖4所示, 從中可以觀察到相對(duì)密度對(duì)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)試樣的宏觀力學(xué)性能和變形模式都有顯著的影響. 首先關(guān)注的是屈服荷載, 圖5給出了八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的屈服載荷隨著相對(duì)密度變化的曲線, 兩者基本呈線性增長(zhǎng)關(guān)系. 其次關(guān)注平臺(tái)荷載, 相對(duì)密度為10%時(shí), 八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的平臺(tái)荷載明顯小于屈服荷載, 表現(xiàn)出弱化失穩(wěn)現(xiàn)象; 當(dāng)相對(duì)密度增大到20%時(shí), 觀察到基本穩(wěn)定的平臺(tái)荷載; 但隨著相對(duì)密度的進(jìn)一步增大, 載荷—位移曲線上出現(xiàn)了明顯的硬化現(xiàn)象. 最后分析相對(duì)密度對(duì)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)變形機(jī)制的影響. 圖6給出不同壓縮量時(shí), 不同相對(duì)密度試樣的變形圖像. 對(duì)于八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中眾多的連接桿來(lái)說(shuō), 在垂直壓縮面載荷下, 這些連接桿不僅僅發(fā)生了軸向壓縮變形, 而且還存在明顯的彎曲變形. 對(duì)于10%相對(duì)密度的試樣, 連接桿的柔度比較大, 隨著載荷的增大, 胞體發(fā)生扭曲, 產(chǎn)生彎扭屈曲現(xiàn)象, 導(dǎo)致點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)承載能力迅速減小. 隨著相對(duì)密度增大, 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)變形模式出現(xiàn)變化, 對(duì)于20%相對(duì)密度的試樣開(kāi)始屈曲后, 首先出現(xiàn)穩(wěn)定變形模式, 保持了一段穩(wěn)定的載荷平臺(tái)區(qū), 在壓縮量達(dá)到2mm后載荷有所降低, 在變形圖片上觀察到局部扭曲現(xiàn)象. 當(dāng)相對(duì)密度增大到30%和40%, 支撐桿出現(xiàn)穩(wěn)定屈服變形, 每個(gè)連接桿都產(chǎn)生了大范圍的塑性變形區(qū), 沒(méi)有觀察到扭曲現(xiàn)象; 由于連接桿之間間隙較小, 壓縮量超過(guò)1mm之后, 桿與桿之間產(chǎn)生接觸, 從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力逐漸增大.

2.1.2 緩沖吸能性能

圖4 不同相對(duì)密度的試樣在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的載荷—位移曲線

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下屈服載荷隨相對(duì)密度的變化

圖6 不同壓縮量下不同相對(duì)密度的試樣變形圖像

圖7 準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下有效行程比隨相對(duì)密度的變化

圖8 準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下總吸能和比吸能隨相對(duì)密度的變化

2.2 直接撞擊式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用直接撞擊式霍普金森壓桿技術(shù)對(duì)相對(duì)密度20%、30%和40%的八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮. 實(shí)驗(yàn)中, 通過(guò)控制氣膛氣壓基本恒定(約為0.3MPa), 得到10m·s-1穩(wěn)定子彈撞擊速度. 圖9給出了3種相對(duì)密度八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的載荷—時(shí)程曲線, 其中包括透射桿上半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與PVDF壓電式應(yīng)力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù). 由圖可見(jiàn), 2種測(cè)試手段獲得載荷—時(shí)程曲線整體表現(xiàn)出較好一致性, 但初始階段還存在明顯差別, PVDF壓電式應(yīng)力傳感器的測(cè)量結(jié)果上升沿比較陡, 而半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果則較緩, 而后續(xù)平臺(tái)階段兩者基本一致. 這種差異主要來(lái)自兩方面: (1)試樣與透射桿界面上粘貼的PVDF壓電式應(yīng)力傳感器是具有一定厚度的高分子材料薄膜, 并且使用雙面膠進(jìn)行粘貼, 從試樣中傳播過(guò)來(lái)的壓縮波形經(jīng)過(guò)PVDF薄膜后會(huì)產(chǎn)生彌散, 導(dǎo)致傳播到透射桿中的波形前沿變緩, 此時(shí)PVDF薄膜類似于霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中的波形整形器作用; (2)實(shí)驗(yàn)中透射桿直徑較大, 由于橫向慣性效應(yīng)的影響, 應(yīng)力波從桿端傳播到應(yīng)變片粘貼位置時(shí)也會(huì)產(chǎn)生彌散, 導(dǎo)致應(yīng)變片測(cè)量的載荷上升沿變緩. 另外, 與準(zhǔn)靜態(tài)加載相比, 沖擊加載時(shí)的平臺(tái)載荷明顯升高, 其原因主要來(lái)源于支撐桿材料不銹鋼力學(xué)性能的應(yīng)變率效應(yīng).

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型及可靠性驗(yàn)證

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 采用數(shù)值模擬手段進(jìn)一步討論相對(duì)密度和沖擊速度對(duì)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料變形模式和緩沖吸能特性的影響. 為對(duì)比直接撞擊式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 試樣、子彈和透射桿的有限元模型尺寸與實(shí)驗(yàn)中尺寸保持一致, 幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖10所示, 單元類型為六面體網(wǎng)格. GP1不銹鋼材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系采用Johnson- Cook本構(gòu)模型, 等效屈服應(yīng)力表達(dá)式如下:

式中: A、B、n、C和m為材料常數(shù); 為等效塑性應(yīng)變, 為無(wú)量綱化等效塑性應(yīng)變率, , 為參考應(yīng)變率; 為無(wú)量綱溫度, 其中為室溫, 為材料的熔點(diǎn). 數(shù)值模擬采用的GP1不銹鋼材料本構(gòu)參數(shù)[15-16]: 密度7830kg·m-3, 彈性模量163GPa, 550MPa, 510MPa, 0.26, 0.014, 1s-1, 1800K, 300K.

為了驗(yàn)證有限元模型計(jì)算的可靠性, 首先對(duì)30%相對(duì)密度試樣在沖擊加載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬, 計(jì)算其邊界條件與實(shí)驗(yàn)是否保持一致. 圖11給出了有限元計(jì)算載荷—時(shí)程曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比, 結(jié)果表明兩者基本保持一致, 驗(yàn)證了有限元模型計(jì)算的可靠性.

圖11 數(shù)值仿真載荷時(shí)程曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

3.2 相對(duì)密度的影響

保持恒定的10m·s-1子彈撞擊速度, 分別對(duì)10%、20%、30%、40%、50%相對(duì)密度的試樣進(jìn)行沖擊加載數(shù)值模擬. 圖12給出了不同相對(duì)密度試樣與透射桿界面處的載荷—位移曲線, 圖中顯示: (1)隨著相對(duì)密度增大, 屈服載荷不斷增大, 有效壓縮行程不斷減少; (2)相對(duì)密度10%和20%點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的平臺(tái)荷載出現(xiàn)弱化現(xiàn)象, 相對(duì)密度30%和40%點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的平臺(tái)荷載基本保持恒定, 當(dāng)相對(duì)密度提高到50%時(shí), 平臺(tái)荷載出現(xiàn)硬化現(xiàn)象. 計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致. 與準(zhǔn)靜態(tài)加載條件相比(圖5), 沖擊加載下屈服荷載表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng). 根據(jù)圖12給出的載荷—位移曲線, 分別計(jì)算沖擊加載下八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的有效行程比、總吸能和比吸能. 沖擊加載下試樣的有效行程比隨著相對(duì)密度的變化曲線如圖7所示, 兩者也呈線性衰減關(guān)系, 與準(zhǔn)靜態(tài)加載下實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致. 沖擊加載下試樣的總吸能和比吸能隨著相對(duì)密度的變化曲線如圖8所示. 與準(zhǔn)靜態(tài)加載條件相比, 沖擊加載下總吸能和比吸能都顯著提升, 總吸能隨著相對(duì)密度呈現(xiàn)線性增大, 而比吸能在30%相對(duì)密度前隨相對(duì)密度增大而增大, 大于30%相對(duì)密度后幾乎保持穩(wěn)定, 這與準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的規(guī)律是一致的.

圖12 沖擊加載下不同相對(duì)密度試樣的載荷—位移曲線

3.3 撞擊速度的影響

為討論子彈撞擊速度的影響, 這里選取30%相對(duì)密度的試樣, 開(kāi)展其在10、50、100、200m·s-1撞擊速度下的數(shù)值計(jì)算, 圖13(a)和(b)分別為不同撞擊速度下子彈與試樣界面(簡(jiǎn)稱為沖擊端)和試樣與透射桿界面處(簡(jiǎn)稱為支撐端)的載荷—位移曲線. 由圖可見(jiàn), 隨著撞擊速度增大, 沖擊端初始峰值載荷顯著增大, 后續(xù)的平臺(tái)載荷也出現(xiàn)明顯振蕩, 而支撐端載荷基本保持不變. 圖14(a)～(d)分別為不同撞擊速度下試樣變形等效塑性應(yīng)變?cè)茍D. 由圖可見(jiàn), 在10m·s-1和50m·s-1撞擊下, 試樣變形是上下對(duì)稱的穩(wěn)定變形模式, 與準(zhǔn)靜態(tài)加載條件結(jié)果是一致的; 而在100m·s-1和200m·s-1撞擊下, 沖擊端的桿件首先發(fā)生屈服, 而支撐端的桿件幾乎沒(méi)有變形, 且隨著沖擊端桿件壓縮量增大, 支撐端桿件開(kāi)始屈服, 表現(xiàn)出一種上下不對(duì)稱的逐漸壓垮變形模式. 對(duì)比分析圖13和圖14可知, 無(wú)論是對(duì)稱穩(wěn)定變形模式還是非對(duì)稱逐漸壓垮變形模式, 支撐端都保持了穩(wěn)定的平臺(tái)載荷和有效壓縮行程, 充分表明八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料在抗沖擊吸能時(shí)對(duì)撞擊速度是不敏感的, 對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是有利的.

4 結(jié)論

以八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象, 采用激光增材制造技術(shù)制備不同相對(duì)密度單層多胞試樣. 開(kāi)展了準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和直接撞擊式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn), 討論了相對(duì)密度和加載速度對(duì)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和變形模式及吸能性能的影響. 基于直接撞擊式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 開(kāi)展了相關(guān)數(shù)值模擬研究, 并重點(diǎn)討論了相對(duì)密度和加載速度對(duì)八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)抗沖擊響應(yīng)特性的影響. 取得以下主要結(jié)論:

(1)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 隨著相對(duì)密度增大, 八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的屈服載荷和總吸能呈線性增大, 比吸能在相對(duì)密度高于30%后增長(zhǎng)緩慢, 結(jié)構(gòu)變形則呈現(xiàn)彎扭屈曲和穩(wěn)定屈服兩種變形模式.

(2)沖擊加載下八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)屈服載荷、總吸能和比吸能隨著相對(duì)密度的變化趨勢(shì)與準(zhǔn)靜態(tài)加載下的結(jié)果保持一致, 但表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng).

(3)在低速撞擊下, 相對(duì)密度30%八角桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)上下對(duì)稱的穩(wěn)定變形模式, 與準(zhǔn)靜態(tài)加載條件結(jié)果是一致的; 而在高速撞擊下, 則呈現(xiàn)上下不對(duì)稱的逐漸壓垮變形模式, 變形模式的改變對(duì)支撐端載荷幾乎沒(méi)有影響, 使其在抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上具有顯著的優(yōu)勢(shì).

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Mechanical behavior of the additively manufactured metallic octet-truss lattice materials

LI Jianshi, WANG Yonggang*, SHI Tongya, FANG Jiacheng

( Key Laboratory of Impact and Safety Engineering of Ministry of Education, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

Based on selective laser melting (SLM) additive manufacturing technology, octet-truss lattice material with different relative densities were prepared with GP1 stainless steel as the base material. Quasi-static uniaxial compression experiments and direct impact Hopkinson barex periments as well as finite element simulations were carried out to study the influence of relative density and loading rate on the mechanical response, deformation mode and energy absorption foroctet-truss lattice material. Results show that relative density is a key parameter that affects the mechanical response of the octet-truss lattice structure. The critical yield loads increase linearly with the relative density, and it exhibits an obvious strain rate strengthening effect. Under quasi-static compression loading condition, with the increase of relative density, the deformation mode of the octet-truss lattice material changes from an unstable twist mode to a stable buckling mode. But under the impact compression loading condition, with the increase of the impact velocity, the deformation mode of the octet-truss lattice material changes from a symmetrical stable buckling mode to asymmetrical gradually collapsed mode. The total energy absorption of the octet-truss lattice material is a monotonically increasing function of the relative density, but lattice material of relative densities around 0.3 features high specific energy absorption capability. Compared with the results under quasi-static compression loading, the total energy absorption and specific energy absorption of the octet-truss lattice materials are significantly improved under impact compression loading.

lattice structure; additive manufacturing technology; deformation mode; numerical simulation; energy absorption

O347.4

A

1001-5132（2022）01-0082-08

2021?05?13.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國(guó)家自然科學(xué)基金（11972202）.

李鑒石（1995－）, 男, 四川遂寧人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 沖擊動(dòng)力學(xué). E-mail: 1037306819@qq.com

王永剛（1976－）, 男, 江蘇漣水人, 博士/教授, 主要研究方向: 沖擊動(dòng)力學(xué). E-mail: wangyonggang@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）