中南大學(xué)頂刊丨基于增材制造的晶格結(jié)構(gòu)填充多胞管的一體化設(shè)計(jì)

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薄壁結(jié)構(gòu)因其良好的耐沖擊性能和輕質(zhì)特性，在倒塌過(guò)程中展現(xiàn)出穩(wěn)定且可控的變形模式，因此在車輛被動(dòng)安全系統(tǒng)中作為吸能結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。隨著對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（LS）因其卓越的力學(xué)性能、靈活的設(shè)計(jì)性和精確的定制特性而備受關(guān)注。此外，增材制造技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了更大的自由度，使得研究人員可以將輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料引入復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

近期，一些研究人員嘗試將LS填充到薄壁結(jié)構(gòu)中以提升其耐撞性。內(nèi)部的LS可以通過(guò)相互作用改變薄壁結(jié)構(gòu)的變形模式，使得混合結(jié)構(gòu)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(shù)和分布，以實(shí)現(xiàn)最佳的耐撞性。然而，目前的晶格填充薄壁結(jié)構(gòu)研究主要集中在金屬材料上，而非復(fù)合材料。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汪馗教授課題組利用熔融沉積成型（FDM）技術(shù)，將短切碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料用于制造晶格結(jié)構(gòu)填充的多胞管，設(shè)計(jì)了裝配成形和一體成形的晶格填充多胞管，并通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)表征了該結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和能量吸收特性，詳細(xì)研究了多胞管和晶體結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理和協(xié)同效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩種組合策略不同變形模式的復(fù)合格子填充多胞管的平均壓潰力進(jìn)行了理論分析。理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究吻合良好，可推廣到其他具有不同填充構(gòu)型的晶格填充管。

圖1.(a)晶格填充多胞管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸參數(shù)；(b) 晶格結(jié)構(gòu)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(guò)程中可以看出，內(nèi)部的晶格填充影響了外管壁的變形模式早致折整數(shù)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(guò)程中受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互作用影響，其外部管壁的折疊變?yōu)閷?duì)稱模式，并在多胞管的內(nèi)壁上產(chǎn)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(guò)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(fù)合材料Top頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Composites Science and Technology》。

該團(tuán)隊(duì)系列工作先后研究了不同材料及構(gòu)型的薄壁結(jié)構(gòu)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(duì)3D打印復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)界面性能的改善和耐撞性能的增強(qiáng)作用。此外，還基于FDM技術(shù)將功能材料引入薄壁給構(gòu)設(shè)計(jì)，制造了具有形狀記憶功能的薄壁吸能結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的形狀可恢復(fù)性和吸能可逆性。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110252