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衍生体心立方点阵材料的优化设计及压缩力学行为

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机械工程材料 2024年第6期 18-25页

作者：许童罗嘉琪王幸福李先雨汪聃郝刚领王新福延安大学物理与电子信息学院中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所

分别在传统体心立方（BCC）点阵结构（H0型）的外围以及外围和中心添加竖直杆，设计出H1型和H2型衍生BCC点阵结构，以AlSi10Mg合金粉末为原料采用激光选区熔化（SLM）技术制备出不同尺寸参数的点阵试样，研究了其压缩力学行为。结果表... 详细信息

分别在传统体心立方（BCC）点阵结构（H0型）的外围以及外围和中心添加竖直杆，设计出H1型和H2型衍生BCC点阵结构，以AlSi10Mg合金粉末为原料采用激光选区熔化（SLM）技术制备出不同尺寸参数的点阵试样，研究了其压缩力学行为。结果表明：传统和衍生BCC点阵试样的压缩行为均具有线弹性阶段、平台阶段、致密化阶段等3个阶段，属拉伸主导型多孔材料；相同尺寸参数下，H2型BCC点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能最大，H1型次之，H0型最小。随着单胞高度增加，H1型点阵试样的比强度和单位质量吸能基本不变，平台应力起伏略微增大，能量吸收效率小幅减小；随着单胞宽度增加，H1型点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能明显降低，能量吸收效率不变；随着斜杆及外围竖直杆杆径增加，H1型点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能明显增大，能量吸收效率先明显提升后趋于稳定。随着中心竖直杆杆径增加，H2型点阵试样的比强度、平台应力和单位质量吸能增大，能量吸收效率提升。衍生点阵试样的变形模式主要为由下到上的逐层变形，损伤机制为竖直杆的侧向弯曲和斜杆的垂直方向弯曲。

关键词：衍生体心立方结构点阵材料优化设计压缩力学行为吸能特征

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点阵材料及其3D打印

中国有色金属学报 2022年第2期32卷 416-444页

作者：陶斯嘉王小锋曾婧易兵彭超群王日初中南大学材料科学与工程学院长沙410083 中南大学冶金与环境学院长沙410083 中南大学交通运输工程学院长沙410075

点阵材料是由一种或多种结构单元,按照特定方式(如周期、拓扑、分形等)优化组合构筑而成的具有特殊物理性能的一类新材料,在光、电、力、热、声、磁、生物化学等领域均具有巨大的应用潜力。3D打印技术极大地推动了点阵材料的发展,提高... 详细信息

点阵材料是由一种或多种结构单元,按照特定方式(如周期、拓扑、分形等)优化组合构筑而成的具有特殊物理性能的一类新材料,在光、电、力、热、声、磁、生物化学等领域均具有巨大的应用潜力。3D打印技术极大地推动了点阵材料的发展,提高了点阵材料的可设计性,使制备具有形状复杂、尺度细小的点阵材料成为现实。本文综述了点阵材料的研究进展:阐述了点阵材料结构单元的类型及特征;归纳了点阵材料的制备方法;总结了点阵材料的性能及应用;最后探讨了点阵材料的发展方向。

关键词：点阵材料 3D打印多孔结构点阵结构制备方法功能结构一体化

增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展

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稀有金属材料与工程 2023年第10期52卷 3630-3639页

作者：樊永霞林彦敖庆波王建忠西北有色金属研究院陕西西安710016

增材制造技术成形Ti-6Al-4V点阵材料具有高强度、低密度、生物相容性好的性能特点,在航空航天、生物医疗、海洋等领域具有极大应用潜力。概述了近年来增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展,重点对选区激光熔化(SLM)和选区电子束熔化(SE... 详细信息

增材制造技术成形Ti-6Al-4V点阵材料具有高强度、低密度、生物相容性好的性能特点,在航空航天、生物医疗、海洋等领域具有极大应用潜力。概述了近年来增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展,重点对选区激光熔化(SLM)和选区电子束熔化(SEBM)技术成形点阵材料的力学性能、失效行为、微观组织进行分析与总结。研究发现,SLM和SEBM技术均可获得保留原始结构特征的点阵材料,且增材制造骨骼型Diamond极小曲面Ti-6Al-4V点阵材料抗压强度可达到411.71MPa,屈服强度达到317.48MPa,强度可与镁合金相媲美;点阵材料失效方式主要有45°剪切断裂以及水平断裂,剪切断裂型点阵材料强度较高,在承载方面具有独特优势,而呈水平方向断裂的点阵材料多为梯度型点阵材料,其应力应变曲线波动范围较小,在能量吸收方面表现出明显的优势;热处理可有效消除增材制造过程中带来的残余应力、降低粗糙度、转变亚稳针状α′马氏体为α+β相,进而增加点阵材料的塑性,且不降低甚至提高部分Ti-6Al-4V点阵材料的强度。最后,对增材制造Ti-6Al-4V点阵材料研究的不足之处以及未来发展趋势进行了讨论及展望。

关键词：点阵材料 Ti-6Al-4V 增材制造热处理压缩性能

组合点阵材料GBCC-BCC变形机制及力学性能分析

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中国科学：物理学、力学、天文学 2023年第4期53卷 43-53页

作者：王润洲张越李世强太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室太原030024

点阵材料是一种轻质多功能周期性的开孔多胞材料,与传统材料相比,点阵材料具有高比刚度/强度、高抗爆抗冲击性能等优异力学性能,在高新技术领域中拥有广阔的应用前景,受到了国内外研究者的广泛关注.本文设计了一种变密度体心立方嵌套体... 详细信息

点阵材料是一种轻质多功能周期性的开孔多胞材料,与传统材料相比,点阵材料具有高比刚度/强度、高抗爆抗冲击性能等优异力学性能,在高新技术领域中拥有广阔的应用前景,受到了国内外研究者的广泛关注.本文设计了一种变密度体心立方嵌套体心立方(Graded Body Centered Cubic nested Body Centered Cubic,GBCC-BCC)点阵材料,与常规体心立方(Body Centered Cubic,BCC)点阵材料相比,具有更为优异的比力学性能(比刚度、比强度和比吸能).利用3D打印技术制备了不同相对密度的GBCC-BCC点阵材料,采用实验与数值模拟相结合的方式,研究了新型点阵材料GBCC-BCC的力学性能,包括尺寸效应、变形模式、拉压不对称性以及不同相对密度下的比力学性能.实验数据和数值模拟结果均表明在单轴压缩工况下,相对密度大于0.3时,GBCC-BCC点阵材料Z方向的比刚度、比强度和比吸能优于多数基本构型点阵材料和拓扑组合构型点阵材料.

关键词：点阵材料力学性能尺寸效应变形模式

3D打印点阵夹芯结构冲击损伤的近场动力学模拟

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爆炸与冲击 2024年第3期44卷 144-158页

作者：陈洋王肇喜翟师慧盛鹏王者蓝朱明亮上海航天精密机械研究所上海201600 华东理工大学机械与动力工程学院上海200237

为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为,在近场动力学微极模型中引入塑性键,构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法,在验证模型准确性的基础上,模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤... 详细信息

为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为,在近场动力学微极模型中引入塑性键,构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法,在验证模型准确性的基础上,模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤模式与破坏机理。结果表明:低速冲击下3D打印点阵夹芯结构的破坏模式以局部塑性变形为主;高速冲击下,破坏模式表现为溃裂、孔洞贯穿和碎片喷射,并伴随着大范围的塑性变形。低速冲击下塑性变形范围随冲击速度升高而增大,而高速冲击下则相反。高速冲击下,点阵夹芯结构的贯穿过程分为面板接触、局部屈服、芯材压溃、穿透4个阶段,弹丸经历了急-缓-急3段减速过程,并对应2个加速度高峰,第2个加速度峰值低于第1个加速度峰值的50%;低速冲击过程中,弹丸仅有1次减速过程,加速度峰值随冲击速度的升高而增大,最终弹丸反弹。

关键词：点阵材料夹芯结构近场动力学弹丸冲击损伤破坏

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基于NURBS的点阵材料参数化建模方法

计算机应用与软件 2022年第2期39卷 215-219,252页

作者：何文彬杨剑陈龙上海理工大学机械工程学院上海200093

点阵材料因具有优异的物理性能而受到广泛重视,但是相关理论模型研究滞后且仿真数字模型构建存在困难。对比提出一种基于NURBS的点阵材料参数化建模方法。通过给定参数化的骨架模型以及局部控制尺寸,依据骨架模型节点处曲线数量分别构... 详细信息

点阵材料因具有优异的物理性能而受到广泛重视,但是相关理论模型研究滞后且仿真数字模型构建存在困难。对比提出一种基于NURBS的点阵材料参数化建模方法。通过给定参数化的骨架模型以及局部控制尺寸,依据骨架模型节点处曲线数量分别构建基本单胞和复杂单胞。这些单胞模型按照点阵材料骨架曲线的拓扑关系进行拼接,从而生成点阵材料NURBS模型,并通过切片对该模型进行三维打印模型验证。通过开发的点阵材料造型系统给出建模实例表明,该方法能够实现点阵材料的参数化建模,从而为进一步的等几何分析提供模型基础。

关键词：点阵材料单胞模型 NURBS 参数化建模

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点阵材料微极连续介质模型的应力优化设计

力学学报 2006年第3期38卷 356-363页

作者：阎军程耿东刘岭刘书田大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室大连 116024

在将二维周期性点阵类材料等效为具有非局部化本构的微极连续介质的基础上,运用优化技术,探讨了基于材料相对密度和微单胞特征尺度两类变量的优化结构应力的方法,给出了针对最小化结构关键部位应力、结构最大应力最小化、最大化结构关... 详细信息

在将二维周期性点阵类材料等效为具有非局部化本构的微极连续介质的基础上,运用优化技术,探讨了基于材料相对密度和微单胞特征尺度两类变量的优化结构应力的方法,给出了针对最小化结构关键部位应力、结构最大应力最小化、最大化结构关键部位安全储备三类特定目标的结构与材料一体化协同优化结果．利用圆板小孔应力集中的数值算例验证了方法的有效性．

关键词：点阵材料微极连续介质理论协同优化应力优化等效性能

点阵材料夹芯悬臂梁在端部承受撞击的动力响应分析

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应用力学学报 2008年第2期25卷 235-238页

作者：刘敬礼刘华杨嘉陵北京航空航天大学北京100083

利用非线性有限元软件ABAQUS分析了点阵材料夹芯悬臂梁在端部受刚性质量块撞击时的弹塑性动力响应,考察了刚性块质量和冲击速度变化时对梁端部最大位移的影响。对给定的刚性块质量和速度,考察了芯层的拓扑构型变化时对最大位移的影响,... 详细信息

利用非线性有限元软件ABAQUS分析了点阵材料夹芯悬臂梁在端部受刚性质量块撞击时的弹塑性动力响应,考察了刚性块质量和冲击速度变化时对梁端部最大位移的影响。对给定的刚性块质量和速度,考察了芯层的拓扑构型变化时对最大位移的影响,并对刚塑性理论解与有限元计算进行了比较,结果表明:当动载赋予结构的总输出能量与结构的最大弹性能容量之比较大时,两者给出的悬臂梁端部达到最大位移的时间及位移峰值比较接近。

关键词：冲击点阵材料动力响应

基于扭曲Kagome点阵结构的一模材料设计

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固体力学学报 2022年第5期43卷 564-576页

作者：刘晓宁万力臣北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

零能模式超材料指弹性矩阵的特征值中有若干为零的弹性材料,根据零特征值的个数可将其分类为一模至五模材料.当前,针对五模材料已有较深入研究,并在水声和弹性波调控方面获得重要应用,而对其他类型零能模式材料的研究尚未展开.论文对扭... 详细信息

零能模式超材料指弹性矩阵的特征值中有若干为零的弹性材料,根据零特征值的个数可将其分类为一模至五模材料.当前,针对五模材料已有较深入研究,并在水声和弹性波调控方面获得重要应用,而对其他类型零能模式材料的研究尚未展开.论文对扭曲Kagome周期桁架这样一类欠约束点阵材料的有效弹性性质进行了研究,结果表明通过调节点阵材料的微观几何构型和杆件刚度,该类结构能够涵盖一系列一模材料谱系.针对给定一模弹性张量,发展了软-硬模式分离的微结构逆向优化设计策略.通过特定一模材料中的波传播现象对有效性质预测和微结构设计进行了数值验证.

关键词：点阵材料弹性超材料一模材料有效性质微结构设计