選區激光熔化鋁合金點陣結構力學性能研究

陳 超,劉仕欽,尹衍軍,丁正峰,周子杰

(江蘇科技大學 機械工程學院,江蘇 鎮江 212003)

0 引言

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技術,也叫作3D打印技術,是一種基于分層原理,運用數字化三維模型,將材料逐層堆疊,并將原材料快速成型為實體零件的新型制造技術[1]。選區激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術作為激光AM最具代表性的技術之一,成型過程中具有無須模具、焊接且材料利用率高等特點使零件制造周期大大縮短、制造成本顯著降低,定位于傳統制造技術不能完成的高質量、低成本、高性能的復雜結構零件,因此,在航空航天、醫療、汽車等領域應用廣泛。

點陣結構是一種由規則單元晶胞反復排列而成的新型輕質多孔結構,金屬點陣結構材料具有許多獨特且優良的性能,與傳統材料相比,具有孔隙率高、結構多樣化的特點,作為一種超輕多功能結構材料,具有巨大的發展潛力[2]。

鋁合金是航空航天、醫療、汽車等領域主要使用的材料之一,在SLM技術中應用廣泛[3]。本文以點陣結構的準靜態壓縮力學性能為主要研究方向,通過有限元軟件Workbench對不同長徑比參數的體心立方(BCC)鋁合金點陣結構進行壓縮實驗仿真分析,從而研究體心立方(BCC)點陣結構力學響應及長徑比對點陣結構力學性能的影響。

1 有限元模型建立

本文選取BCC結構這一具有代表性的點陣結構作為研究對象[4],不同結構參數如表1所示,L是點陣單胞的邊長,D是直徑,L/D是長徑比,L1×L2×L3是點陣塊的長寬高。本文選用的單胞邊長L、直徑D及長徑比L/D均是應用中的常用數值。

表1 BCC點陣結構參數

使用SolidWorks 三維建模軟件,對BCC點陣結構進行三維建模,如圖1所示。首先繪制單個晶胞三維模型,后再對點陣單胞進行兩次陣列,得到整體點陣塊結構,最后得到的點陣塊結構必須進行合并成一個實體結構,再導出x_t格式,進行有限元仿真等后續操作。

圖1 BCC點陣結構建模過程

2 點陣結構壓縮實驗仿真

2.1 BCC點陣結構幾何模型建立

使用SolidWorks 建模軟件建立不同長徑比BCC點陣結構幾何模型,其模型胞元是5 mm×5 mm×5 mm的BCC型,整體結構是排列為3×3×3個的立方體(15 mm×15 mm×15 mm)結構,為了保證仿真模擬時受力均勻,在上下兩個面各放置一塊薄板,建立兩個離散剛體殼單元結構,將其作為三維模型的剛性壓板及底板,再將模型保存為x_t通用文件格式。

2.2 導入模型及建立約束

將上一步驟生成的x_t格式文件導入軟件Workbench中,在Workbench中,剛體是整個結點和單元的合成體,故剛體的整體運動可由參考點的邊界條件進行約束,在上下兩個剛體平面上依次建立參考點RP1和RP2[5]。通過對參考點的力學加載,實現對整個剛體的加載,通過控制參考點的運動,可以控制剛體的整體運動,最終的結構見圖2。

圖2 BCC點陣結構有限元分析模型

然后進行有限元分析的模型參數設置,對有限元模型賦予材料密度、彈性模量、泊松比等重要結構參數[6],通過查閱專業資料可知,本實驗研究所采用的母材材料鋁合金參數為:密度7 850 kg/mm3,彈性模量200 GPa,泊松比0.3。

3 BCC點陣結構模態分析

首先在Workbench中創建一個Modal模態分析項目,并編輯材料屬性,導入鋁合金材料的彈性模量、泊松比和密度,將已創建的點陣結構導入幾何模型,進入Mechanical模塊劃分有限元網格。本文仿真分析網格劃分應用四面體網格,網格類型為Solid186單元,整體的網格數量為72 372個,節點數量為287 701個,通過仿真軟件網格質量統計可知80%以上的網格質量在0.8以上,網格質量良好。

在Workbench實際壓縮過程中,為了模擬點陣結構的整個變形過程,需要通過求解得到點陣結構的最低階固有頻率。分析頻率時,首先要刪除裝配體中兩個剛性面以及面之間的接觸關系,僅保留對稱邊界條件,再創建線性分析步驟,最后分析點陣結構的前6階固有頻率。以長徑比為6,單胞尺寸L=5 mm、D=0.72 mm的BCC點陣結構模型為例,分析結果如圖3所示。BCC6點陣結構的最低階模態為2階模態,從模擬信息中能夠得到固有頻率為1 780.9 Hz,求導得BCC6周期約為0.000 56 s。在保證求解精度不變的前提下,分析總時間設置為最短周期的2倍,因此分析總時間為0.001 1 s。同樣的方法可以求解得到長徑比為8,單胞尺寸L=5 mm、D=0.56 mm,BCC8點陣結構的固有頻率為1 131.6 Hz,分析總時間為0.001 5 s;長徑比為10,單胞尺寸L=5 mm、D=0.43 mm,BCC10點陣結構固有頻率為1 051.9 Hz,分析時間為0.001 9 s(分別見圖4、圖5)。最終可得出:對于鋁合金點陣結構,隨著長徑比的增加,固有頻率有所降低。

圖3 BCC長徑比為6的點陣壓縮模型頻率分析

圖4 BCC長徑比為8的點陣壓縮模型頻率分析

圖5 BCC長徑比為10的點陣壓縮模型頻率分析

4 BCC結構能量組成及分布分析

在模態仿真分析完成后,可以通過計算點陣結構模型的能量關系來判斷是否為正確的準靜態響應。能量平衡方程為:

式中:ETOT為系統的總能量;EI為內能;EFD為摩擦耗散的能量;EKE為動能;EV為耗散的能量;EW為外力做功。

通過分析可得,由于點陣材料質量小,施加載荷產生的速度很小,產生的慣性力可以忽略不計,因此點陣結構準靜態動能也很小。另外,點陣結構的外力做功幾乎等于模型的內能。綜合上述分析可以推導出判斷是否為準靜態響應的一般性規律:在主點陣結構仿真過程中,變形材料所產生的動能只要不超過其內能的5%～10%,即為準靜態響應。通過Workbench仿真分析后得出:點陣結構的動能EKE和內能EI如圖6所示,BCC6的動能約為點陣結構內能的3.61%,BCC8動能約為點陣結構內能的2.83%,BCC10動能約為點陣結構內能的2.42%,所以3種結構的點陣結構的動能均小于內能5%,因此能夠進行準靜態響應有限元靜力分析。

圖6 不同長徑比BCC能量曲線

5 BCC點陣結構靜力學分析

5.1 導入模型并賦予材料屬性

將SolidWorks構建的模型導入Workbench靜力學模塊,并編輯材料屬性,導入鋁合金材料的密度、彈性模量、泊松比[7]。

5.2 定義接觸關系

為了更加真實模擬點陣結構受力過程,壓頭和基面兩剛性面與點陣結構之間的接觸設置為無摩擦應力接觸。

5.3 網格劃分

本文仿真分析網格劃分采用的是四面體網格,網格類型為Solid186單元[8],整體的網格數量為72 372個,節點數量為287 701個,通過仿真軟件網格質量統計可知80%以上的網格質量在0.8以上,網格劃分良好。

5.4 設置邊界條件

采用有限元Workbench對結構進行仿真模擬分析時,需要對模型點陣結構添加邊界條件。本文有限元分析是模擬點陣結構準靜態方向壓縮實驗過程,點陣塊下方的基面模擬實驗臺的基面,完全約束其6個方向的自由度;而上方壓頭模擬實驗臺壓板,只允許存在Y方向的自由度,另外5個自由度完全約束。由于剛體不可以使用Fixed Support進行固定約束,因此采用Remote Displacement對底部基面進行固定約束(將x、y、z方向的平動和繞x、y、 z軸的轉動均設置為零),對上部壓頭只釋放y方向的平動自由度,并在這個方向上施加3 mm的位移后進行點陣結構壓縮仿真實驗。

不同尺寸參數點陣結構靜態壓縮去除基面和壓頭后得到的應力云圖如圖7所示[9],能夠看出,每種點陣結構在節點處均存在較為明顯的應力集中。原因是點陣結構受到單向準靜態壓縮時,點陣結構節點處的剛度會集中變大,在抵抗壓縮過程桿件彎曲變形時,節點處所產生的抵抗阻力也會變大,從而產生了塑性鉸以此阻擋桿件的彎曲變形。另外從圖7可知,點陣結構彎曲應力在桿件上呈現對稱分布,點陣塊中間的應力較小,節點處的應力較大。

圖7 不同長徑比點陣結構應力云圖

圖8 依次為BCC6、BCC8、BCC10的位移云圖,能夠看出,3組尺寸的點陣結構位移分布情況相似。在受力分析模擬中,總體位移沿Y的負方向先增后減,位移總體在3 mm上下浮動,誤差較小可忽略不計,且與所施加載荷位移大小與方向基本一致。因此可以得出如下結論:3種不同長徑比下的點陣結構位移變化情況基本一致,在模擬壓縮過程中,BCC點陣結構被均勻地壓縮,產生較好的塑性變形。

圖8 不同長徑比點陣結構位移云圖

6 結語

本文實驗試件以BCC點陣結構作為仿真實驗模型,利用有限元軟件Workbench對BCC型鋁合金點陣結構進行了模態分析以及單向壓縮準靜態仿真模擬,結論總結如下。

(1)通過模態分析計算不同長徑比下BCC點陣結構的固有頻率,從而求出不同分析總時間,比較得出隨著長徑比的增大,點陣結構BCC的固有頻率也有所增大。

(2)通過Workbench靜力學應力云圖得出:長徑比不同的BCC點陣結構在壓縮載荷單向作用下力學響應基本相同,即點陣結構的節點處存在明顯的應力集中現象,且節點處較早發生塑性應變。

(3)通過Workbench靜力學位移云圖得出:3種不同長徑比下的BCC點陣結構位移變化情況基本一致,且3種尺寸BCC點陣結構都被均勻地壓縮,均產生較好的塑性變形。