相对密度分布规律对梯度点阵结构力学响应影响研究

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随着航空航天工程、汽车工程及医疗骨植入等领域的飞速发展,对具有特定性状的功能性材料需求逐渐增大,而梯度点阵结构以其轻质高强、开孔及性能梯度变化等特点,在功能结构材料领域展现了巨大应用价值。梯度点阵结构的内在密度分布规律直接影响着结构整体性能,但目前的研究却有限。为揭示相对密度分布规律与结构力学响应之间的映射机制,本文通过调整相对密度分布函数,以增材制造为加工工艺,围绕梯度点阵结构的准静态及动态冲击特性进行了广泛研究。(1)对现有梯度点阵结构发展现状进行了评述,从中提炼出了目前梯度点阵结构存在的关键问题,并阐述了本文的具体研究内容。通过分析当前相对密度分布规律,选定了三种单调上升的分布函数:指数函数(Exp)、线性函数(Line)以及对数函数(Ln)。以体心立方(Body Center Cubic,BCC)结构为例,获得了具有边界约束的梯度BCC单胞相对密度理论模型及其在一定应力作用下的理论受力模型。(2)对三类相对密度分布函数进行了参数化选取实现了梯度点阵结构的稳定平滑连接,并进行了前期建模仿真。结果表明,Exp结构整体性能较优,因此选取了Exp分布规律进行了深入研究。为定量地描述梯度变化规律,引入了梯度化程度(Dg)概念,并基于相对密度变化率选取了五种Exp分布函数,获得了系列具有不同相对密度分布函数的梯度点阵结构。利用选择性激光熔融技术及扫描电子显微镜进行了样品制备及形貌表征。(3)采用实验和数值仿真对梯度点阵结构进行了准静态压缩实验。结果表明,不同相对密度分布规律对梯度点阵结构的破坏机制、力学性能及能量吸收有重大影响。在保持结构整体相对密度一致情况下,改变内部相对密度分布规律,能实现对梯度点阵结构力学响应调节,获得较大范围内力学性能调控。在Exp分布规律下,梯度化程度与梯度点阵结构的力学性能、能量吸收成负相关。(4)通过数值仿真技术对梯度点阵结构进行了动态冲击模拟。结果表明,梯度点阵结构动态冲击下的破坏机制、力学性能及能量吸收受到冲击加载方向、冲击速度、相对密度分布规律及梯度化程度的共同影响。冲击态下,结构塑性变形皆从冲击端首先产生。中低速冲击下梯度效应占据主导,结构破坏机制由相对密度分布规律不同导致的梯度分布决定,高速冲击下梯度化程度影响显著。随冲击速度增大,结构力学性能、能量吸收依次增大,且负向冲击均高于正向冲击。随梯度化程度增加,正向冲击力学性能、能量吸收依次降低;负向冲击反之。
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