基于3D打印的弹性阻尼单元结构功能一体化设计

作     者：张庆标 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张志雄;唐力

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：抗冲击 激光选区熔化(SLM) 弹性阻尼单元 结构功能一体化 

摘      要：20世纪70年代以来,航空航天、高速运载工具、导弹、原子能、武器装备等技术的迅速发展,对材料的抗冲击性能提出了更高的要求。3D打印技术作为一种全新的增材式制造技术,对具有复杂结构的零件具有强大的加工优势,为零件抗冲击性能的提升提供了新的思路。随着3D打印技术的发展,人们利用其强大的自由成型能力,将具有优异抗冲击能力的复杂结构以单元的形式加工到零件内部,大幅度提升了零件的抗冲击性能。然而,目前基于3D打印的抗冲击单元结构主要通过塑性变形来抵抗冲击载荷,极大地限制了其应用范围。因此,本文针对这一现状,研究一种可在弹性变形阶段吸收大量能量的弹性阻尼单元及基于该单元的零件结构功能一体化设计方法。本文主要研究内容包括:1.研究一种在弹性变形阶段可以吸收大量能量的抗冲击弹性阻尼单元。设计了单元的结构参数和应用布局,建立了单元的力学性能模型,讨论了单元结构参数对其性能的影响。2.研究弹性阻尼单元的3D打印可制造性。基于激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术,分析了弹性阻尼单元的可制造性,讨论了符合SLM工艺要求的单元结构参数组合。基于现有研究,通过标准力学试验,探究了本文所用设备及工艺参数制备的TC4零件的最佳热处理方案。3.研究弹性阻尼单元的性能。通过压缩试验,研究了不同结构参数(如单元宽度、横轴长度、壁厚等)对单元承载性能及能量吸收能力的影响。比较了弹性阻尼单元和Kagome结构性能,讨论了其在力学性能和能量吸收能力方面的差异。4.建立弹性阻尼单元结构-性能数据库。通过压缩试验,计算出不同结构参数的弹性阻尼单元弹性模量、屈服强度、能量吸收能力等性能数据。并汇总单元结构参数、质量等信息,建立了弹性阻尼单元结构-性能数据库。5.研究基于弹性阻尼单元的结构功能一体化设计方法。根据SLM工艺特征,综合理论分析和有限元仿真,研究了弹性阻尼单元的应用,提出了基于弹性阻尼单元结构-性能数据库的零件结构功能一体化设计方法。6.根据上述设计方法,对某迫击炮座钣进行了结构功能一体化重构设计,并通过有限元分析验证了重构座钣的强度。采用SLM技术将座钣结构功能一体化重构部分烧结成型,观察了该重构部分的加工效果,验证了结构功能一体化座钣的可制造性。