【摘 要】
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结构轻量化是一个永恒的主题,重量越轻,承载越重的结构与材料一直是航空航天,汽车制造甚至是海洋船舶等领域的研究重点。其中以金字塔点阵为代表的三维点阵结构,被认为是最具轻质高强潜力的结构之一,轻质高强的连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料成为航空航天材料的不二之选。复合材料点阵结构就是轻结构与轻材料的组合产物,它将结构轻量化水平推到了全新的高度。但是因其结构复杂性,复合材料点阵结构相关成型技术却成为制约
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结构轻量化是一个永恒的主题,重量越轻,承载越重的结构与材料一直是航空航天,汽车制造甚至是海洋船舶等领域的研究重点。其中以金字塔点阵为代表的三维点阵结构,被认为是最具轻质高强潜力的结构之一,轻质高强的连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料成为航空航天材料的不二之选。复合材料点阵结构就是轻结构与轻材料的组合产物,它将结构轻量化水平推到了全新的高度。但是因其结构复杂性,复合材料点阵结构相关成型技术却成为制约其广泛应用的瓶颈。近几年,连续纤维增强复合材料3D打印技术展现优异的制造灵活性,这让人们看到了将复合材料点阵结构成型以及广泛应用的潜力。本文以典型复合材料三维点阵结构为研究对象,对相关连续纤维3D打印技术展开研究。本文基于对连续纤维3D打印点阵结构成型工艺的分析,提出了一种螺杆挤出式3D打印喷头设计,完成了面向复合材料点阵结构的连续纤维3D打印设备的搭建,完成了设备相应控制系统的搭建、电气系统的开发,以及3D打印辅助设备的搭建,获得了良好的效果。构建了四面体、金字塔以及六支柱点阵构型的参数化建模,通过相对体积密度对结构轻量化指标进行了表征;建立了点阵结构平压理论力学模型,推导了出点阵结构平压强度预测公式。基于笛卡尔坐标,设计点阵结构成型轨迹,并对点阵结构成型关键技术进行了研究。结合设备探究了连续纤维3D打印点阵成型关键工艺因素,制备了四面体、金字塔以及六支柱点阵,并进行了平压力学性能测试与失效形式分析。不同类型点阵芯子中,金字塔点阵芯子平压强度最优,载荷质量比为276.14N/g。不同支杆角度金字塔点阵芯子中45°芯子平压强度最优,为0.459MPa。实验结果与理论预测模型契合度良好。
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