隐式曲面多孔结构的参数化设计及力学性能研究

作     者：唐荣耀 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱先勇

授予年度：2022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] 

主      题：选择性激光熔化技术 隐式曲面多孔结构 数值模拟 力学实验 功能梯度 

摘      要：多孔结构因具备轻质、比强度高、吸能、生物相容性等优异的性能,在汽车、航空航天、生物医学等高科技领域得到了广泛应用,伴随增材制造技术的迅猛发展,人们对多孔结构设计的创新性和复杂度有了更高的要求,希望探索多元化、灵活可控、性能优异的多孔结构,尤其是非均匀的功能梯度多孔结构。本文在选择性激光熔化技术的背景下,基于隐式曲面开展多孔结构的参数化设计研究,并通过数值模拟和力学实验进行多孔结构力学性能的系统性探索。首先,针对多孔结构建模效率低下的问题,开发了一款集成隐式曲面可视化、孔隙率计算以及CAD文件导出等功能的高效软件应用程序;针对经典Primitive曲面和I-WP曲面的支柱夹断行为提出了相应的优化策略,将成形孔隙率分别从79%和98%提升到了99%以上,并改善了支柱通道的均匀性;提出了一种隐式曲面混合设计方法,生成了曲率连续变化的SCBCC-IS和BCCZ-IS结构。其次,通过数值模拟探索不同拓扑几何形态多孔结构的力学性能与单元阵列层数之间的关系,发现弹性模量和屈服强度随着单元阵列层数的增加,逐渐减小并趋于稳定;对比分析隐式曲面和CAD设计法生成同种拓扑几何形态多孔结构的应力分布情况,后者有更明显的应力集中效应;使用fe-safe软件研究隐式曲面多孔结构的疲劳特性,疲劳寿命表现为BCCZ-ISSCBCC-ISBCC-IS,同时孔隙率越小抗疲劳失效能力越强。再次,确立了打印态316L基体的力学性能参数,弹性模量为196Gpa,名义屈服强度为469Mpa,致密度为99.3%;SLM成形了隐式曲面多孔压缩试件和拉伸试件,通过准静态压缩和拉伸实验相结合的方式得到了准确的力学性能参数,并建立了力学性能与孔隙率的Gibson-Ashby模型,结果表明BCCZ-IS拥有最高的屈服强度和弹性模量,而SCBCC-IS稍高于BCC-IS;研究多孔结构的吸能特性,发现BCC-IS的有效吸收能量应变与孔隙率呈正相关,而BCCZ-IS和SCBCC-IS无明显规律,有效吸收能量值的表现为BCCZ-ISSCBCC-ISBCC-IS。最后,为将部件冗余的材料调配到高承载区域,提出了基于应力感知的变密度多孔结构设计方法,并对悬臂梁进行梯度多孔结构的填充,仿真结果表明,相对于均匀多孔悬臂梁,功能梯度多孔悬臂梁应力分布更加均匀,弯曲形变也更低;针对髋关节置换手术中股骨柄假体与人体股骨刚度不匹配的问题,提出了基于区域类分的变密度多孔结构设计方法,构建出proximal AGS型的功能梯度多孔股骨柄,能够有效降低应力遮挡的影响。