3D打印仿生縫合結(jié)構(gòu)的斷裂特性分析

作者：安晟斐，朱忠猛
來源：高分子材料力學(xué)性能

發(fā)展兼具高強(qiáng)度和高韌性的工程材料對航空航天等各工程領(lǐng)域具有重要意義。存在于頭骨、背甲等位置的輕量化仿生縫合結(jié)構(gòu)可通過控制裂紋擴(kuò)展路徑提高韌性，能有效調(diào)和強(qiáng)度和韌性間的矛盾。3D打印技術(shù)為進(jìn)一步研究仿生縫合結(jié)構(gòu)的斷裂性能提供了高效的手段。來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的Phuong Tran團(tuán)隊使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）和數(shù)值模擬的方法，對3D打印縫合結(jié)構(gòu)在緊湊拉伸工況下的裂尖應(yīng)力應(yīng)變分布和斷裂韌性進(jìn)行了研究。

本文使用3D打印熱塑性材料聚乳酸（PLA）材料，選擇45°/-45°打印方向以獲取更高的拉伸強(qiáng)度。固定a:b=1:1.8（圖1），將不同大小的縫合結(jié)構(gòu)制成緊湊拉伸試樣（圖2），開展緊湊拉伸實驗研究。

圖1 縫合結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 不同大小的縫合結(jié)構(gòu)緊湊拉伸試樣

緊湊拉伸實驗結(jié)果表明，相同界面長度下，增加縫合點數(shù)量可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的韌性，但由于縫合點尺寸小，應(yīng)力集中在縫合頸部，在較短位移下即發(fā)生斷裂（圖3）。同時DIC結(jié)果顯示靠近預(yù)制裂紋的縫合點處于拉伸狀態(tài)，遠(yuǎn)離裂紋的縫合點處于壓縮狀態(tài)（圖4）。利用數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)縫合點數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)所儲存的應(yīng)變能越少，容易在較短位移下發(fā)生斷裂（圖5）。隨后本文分析了互鎖角度對縫合結(jié)構(gòu)緊湊拉伸模擬結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，減小互鎖角度會減小互鎖點接觸面積，從而降低縫合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度（圖6）。

圖3 不同大小縫合結(jié)構(gòu)的緊湊拉伸實驗及結(jié)果

圖4 S1的DIC實驗結(jié)果

圖5 不同大小縫合結(jié)構(gòu)在緊湊拉伸模擬下的總應(yīng)變能和塑性能耗散

圖6 不同大小、不同互鎖角度縫合結(jié)構(gòu)的緊湊拉伸模擬結(jié)果

本文結(jié)合實驗和數(shù)值模擬方法，研究了不同大小、不同互鎖角度的縫合結(jié)構(gòu)在緊湊拉伸工況下的斷裂性能，發(fā)現(xiàn)通過改變縫合點的數(shù)量可以顯著調(diào)控結(jié)構(gòu)的斷裂性能。本文對單層縫合結(jié)構(gòu)的斷裂性能研究較為系統(tǒng)，后續(xù)可考慮增加層級，并分析材料黏彈性對結(jié)構(gòu)斷裂性能的影響。

該文章以“Analysing fracture properties of bio-inspired 3D printed suture structures”為題，發(fā)表于Thin-Walled Structures。

全文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109317