中南大學頂刊丨基于增材制造的晶格結構填充多胞管的一體化設計

來源： 增材制造碩博聯盟

薄壁結構因其良好的耐沖擊性能和輕質特性，在倒塌過程中展現出穩(wěn)定且可控的變形模式，因此在車輛被動安全系統(tǒng)中作為吸能結構得到了廣泛應用。隨著對薄壁結構能量吸收器的深入研究，傳統(tǒng)空心管的耐撞性潛力已基本被挖掘完畢。另一方面，晶格結構（LS）因其卓越的力學性能、靈活的設計性和精確的定制特性而備受關注。此外，增材制造技術的發(fā)展為結構設計提供了更大的自由度，使得研究人員可以將輕質高強的復合材料引入復雜的結構設計中。

近期，一些研究人員嘗試將LS填充到薄壁結構中以提升其耐撞性。內部的LS可以通過相互作用改變薄壁結構的變形模式，使得混合結構吸收的能量大于各組分之和。此外，研究人員還優(yōu)化了晶格填料的參數和分布，以實現最佳的耐撞性。然而，目前的晶格填充薄壁結構研究主要集中在金屬材料上，而非復合材料。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，聚焦增材制造科研與工程應用！

中南大學交通運輸工程學院軌道交通安全教育部重點實驗室的汪馗教授課題組利用熔融沉積成型（FDM）技術，將短切碳纖維增強聚酰胺復合材料用于制造晶格結構填充的多胞管，設計了裝配成形和一體成形的晶格填充多胞管，并通過準靜態(tài)壓縮試驗表征了該結構的力學響應和能量吸收特性，詳細研究了多胞管和晶體結構的變形機理和協(xié)同效應。在此基礎上，對兩種組合策略不同變形模式的復合格子填充多胞管的平均壓潰力進行了理論分析。理論結果與實驗研究吻合良好，可推廣到其他具有不同填充構型的晶格填充管。

圖1.(a)晶格填充多胞管的結構設計和尺寸參數；(b) 晶格結構的單胞；(c) FDM的原理：不同組合策略的示意圖；(d) 裝配成形的晶格填充多胞管；(e) 一體化成形的晶格填充多胞管

圖2.晶格填充管(裝配成形)及其各部分組件的(a)力-位移曲線和；(b)能量吸收特性比較

圖3.晶格填充管(一體成形)及其各部分組件的(a)力-位移曲線和；(b)能量吸收特性比較

從圖4的壓縮過程中可以看出，內部的晶格填充影響了外管壁的變形模式早致折整數量蹈加，從而顯著地提升了能量吸收性能。其中，空多胞管和裝配成型的晶格填充管講入屈服階段后形成交替的折疊。而一體成型的晶格填充管在變形過程中受到內部結構的相互作用影響，其外部管壁的折疊變?yōu)閷ΨQ模式，并在多胞管的內壁上產生了更多的塑性較鏈。

圖4.(a) 空多胞管；(b) 裝配成形的晶格填充多胞管和；(c) 一體成形的晶格填充多胞管的軸向壓縮過程

這些突破性的研究成果以題為《Integrated design and additive manufacturing of lattice-filled multi-cell tubes》的論文發(fā)表于復合材料Top頂級學術期刊《Composites Science and Technology》。

該團隊系列工作先后研究了不同材料及構型的薄壁結構在不同加戴談率及環(huán)境溫度下的軸向壓流行為、交形模式以及吸能特性，并考慮了采用熱壓處理方法對3D打印復合材料薄壁結構界面性能的改善和耐撞性能的增強作用。此外，還基于FDM技術將功能材料引入薄壁給構設計，制造了具有形狀記憶功能的薄壁吸能結構，表現出良好的形狀可恢復性和吸能可逆性。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110252