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华中科技大学:一种新型3D打印仿生波纹夹层结构三点弯试验及失效分析【附同款建模软件】

 复合材料力学 2022-01-19

仿生波纹夹层结构(BCSS)因其优异的抗冲击性能、吸能性能和优异的承载能力而被广泛应用于航天、航空和军事领域。然而,由于夹层结构具有复杂的几何特性,为了满足更高的性能要求,扩大夹层结构的应用领域,必须首先考虑夹层结构的制造方法和失效机理。该类结构的结构特点复杂,用传统的制造工艺很难整体制造,通过粘接或焊接形成的接头容易产生损伤。相比之下,激光粉末床熔融工艺(LPBF)作为一种典型的粉末床金属增材制造技术,可以借助增材支撑结构,制造任何用传统制造方法难以或不可能制造的复杂形状的零件。

此外,波纹夹层结构在载荷作用下的破坏机制对结构力学性能的评价和预测有很大的影响。然而,在过去的几十年里,许多研究集中在传统夹层结构在压缩、冲击、疲劳和弯曲载荷下的失效模式和失效过程。然而,LPBF制造的仿生夹层结构在弯曲载荷作用下的失效机理尚未得到系统的研究。

近日,华中科技大学Liang Meng(第一作者)、Hao Li(通讯作者)等人在《Composite Structures》期刊上发表了题为《Failure analysis of bio-inspired corrugated sandwich structures fabricated by laser powder bed fusion under three-point bending》研究文章。该项研究基于东方龙虱鞘翅的微观结构设计了一种复杂的仿生夹层结构,并通过激光粉末床熔融工艺采用雾化钛合金粉末材料进行结构制备,通过理论推导,研究了LPBF制造不同结构参数的仿生夹层结构失效机理。通过实验和有限元分析验证了理论模型的准确性,并详细分析了结构在弯曲载荷作用下的破坏过程。

图1 基于东方龙虱鞘翅的仿生夹层结构设计

图2 (a)激光粉末床熔融工艺示意图,(b)三维模型切片工艺示意图。

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图3 激光粉末床熔融工艺制造的仿生夹层结构

图4 三点弯曲试验及有限元模型

图5 不同结构参数的仿生夹层结构失效过程及有限元预测结果

图6  不同仿生夹层结构的最终失效模式

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原始文献:Meng L ,  Lan X ,  Zhao J , et al. Failure analysis of bio-inspired corrugated sandwich structures fabricated by laser powder bed fusion under three-point bending[J]. Composite Structures, 2021, 263(1):113724.

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