兩種不同點陣夾心結構的力學性能研究

李慶棠，陳秀思，王方彬

（北京航天新風機械設備有限責任公司，北京 100854）

0 引言

金屬三維點陣結構是近年興起的一種新型輕質結構，其不僅具有良好的力學性能，同時也能很好地滿足對結構-功能一體化的需求[1]。夾芯結構中面板作為主要承力部分，作用是提供結構所需的彎曲剛度、面內拉壓剛度和面內剪切剛度，主要承受面內載荷、彎曲載荷等[2]。

點陣結構通過模擬分子點陣構型，并由節點和節點間連接桿件單元組成一種具有周期性的拓撲結構，不同的胞元結構構成的點陣材料會產生千差萬別的力學性能[3]。用Abaqus 軟件對兩種點陣夾心結構進行拉伸和壓縮模擬，通過實驗驗證有限元分析的正確性。

1 實驗

1.1 模擬

本次仿真所用的單胞模型如圖1 所示，單胞尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，根據單一變量原則，單胞的相對密度設計為相等。圖2a 為頂點立方拉伸試片模型，圖2b 為體心立方拉伸試片模型。圖3a 為頂點立方點陣壓縮試塊模型，圖3b 為體心立方點陣壓縮試塊模型。

圖1 單胞結構模型

圖2 拉伸試片模型

圖3 壓縮試塊模型

1.2 實驗

采用華曙高科FS271M 激光3D 打印設備打印模擬部分所用到的兩種點陣結構的拉伸和壓縮試件（圖4、圖5）。所用粉末為TC4 鈦合金粉末，粒徑范圍15～53 μm。工藝參數：激光功率225 W，掃描速度1000 mm/s，層厚30 μm，打印工作在含＜0.1%氧氣的氬氣氣氛中進行。用SLM（Selective Laser Melting，金屬粉末的快速成型技術）在同一打印參數下制備兩種點陣試樣，每種點陣試樣制備3 個。

圖4 拉伸試片3D 打印實物

圖5 壓縮試塊3D 打印實物

2 結果和討論

2.1 仿真結果

各點陣結構的應力云圖如圖6 所示。由圖6 可知，在點陣試片拉伸過程中，兩種結構的單胞基本上沒有明顯變形，單胞節點處都存在明顯的應力集中現象；在點陣壓縮過程中，點陣結構的每個胞元都保持相對均勻的變形特點，點陣結構在45°方向上應力較大，且在節點處有應力集中。頂點立方結構的桿中間位置應力集中較大，兩端應力較小。

圖6 點陣拉伸應力和點陣壓縮仿真應力云圖

2.2 實驗結果

表1 為不同點陣結構最大拉力與實驗結果對比，表2 為不同點陣結構最大壓力與實驗結果對比。

表1 不同點陣結構最大拉力與實驗結果對比

表2 不同點陣結構最大壓力與實驗結果對比

由表1、表2 可知，斷后試件的斷后伸長率均低于5%，表面出明顯的脆性斷裂特征，體心立方結構實際能夠承受的最大拉力為27 540 MPa，低于頂點立方結構能夠承受的最大拉力為28 150 MPa；頂點立方結構實際能夠承受的最大壓力為38 307 MPa，高于體心立方結構能夠承受的最大壓力25 868 MPa，但頂點立方結構的打印效果并不是特別理想。結合應用實際和點陣結構的力學性能來看，體心立方結構的力學性能和實用性最好。

3 結論

從試驗和模擬兩方面對激光選區熔化TC4 鈦合金粉末點陣結構的力學性能進行研究。點陣拉伸實驗模擬結果表明，頂點立方結構和體心立方結構兩種點陣在單胞節點處都存在明顯的應力集中現象，斷后試件的斷后伸長率均＜5%，表現出明顯的脆性斷裂特征，從受力情況來看，體心立方結構實際能夠承受的最大拉力為27 540 MPa，低于頂點立方結構能夠承受的最大拉力為28 150 MPa。點陣壓縮實驗模擬結果表明，兩種結構的單胞變形較為均勻，節點處存在明顯的應力集中現象，點陣在壓縮過程中45°方向上的應力較大，變形更為明顯，斷后對壓縮試塊進行觀察，發現壓縮試塊沿45°方向發生了斷裂，從受力情況來看，頂點立方結構實際能夠承受的最大壓力為38 307 MPa，高于體心立方結構能夠承受的最大壓力25 868 MPa，但是對于激光選區熔化技術來說，頂點立方結構制造后存在較為明顯的缺陷，綜合實際生產和力學性能，體心立方結構的性能優于頂點立方結構。體心立方結構模擬結果和試驗結果的誤差在10%左右，能夠較好地對試驗結果進行預測。