發(fā)布時間：2020-08-12 23:36

【摘要】：設(shè)計三重周期性最小曲面結(jié)構(gòu)(triply periodic minimal surface,簡稱TPMS結(jié)構(gòu))泡沫金屬是應用在輕質(zhì)、多功能結(jié)構(gòu)上的一種新方法。與以前的蜂窩和柵格結(jié)構(gòu)泡沫金屬不同,TPMS結(jié)構(gòu)由連續(xù)和光滑的殼組成,允許大的表面積和連續(xù)的內(nèi)部通道,可很好地避免應力集中。增材制造(Additive Manufacturing,簡稱AM)技術(shù)是一種通過CAD或SolidWorks設(shè)計模型文件,然后以逐層累加來的方式來制造實體部件的技術(shù),也叫3D打印技術(shù)。增材制造的最新發(fā)展促進了具有很大幾何復雜性和相對小尺寸部件的制造,使傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實現(xiàn)的拓撲結(jié)構(gòu)的快速成型成為可能。在本文中,我們主要通過有限元仿真和試驗相結(jié)合的研究方法,開展了針對兩種類型的316L不銹鋼TPMS結(jié)構(gòu)(Primitive和Gyroid曲面,以下分別簡稱P和G曲面)機械性能的研究。本論文的力學仿真是通過ABAQUS6.14有限元軟件來進行,運用顯示動力學的算法,分別對P和G曲面全尺寸模型進行準靜態(tài)壓縮力學模擬,所得到的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行相互驗證。本論文的實驗部分首先是通過SLM增材制造技術(shù)制造了各種不同相對密度的TPMS結(jié)構(gòu)泡沫金屬,利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、萬能試驗機、DIC應變測量系統(tǒng)評估打印樣品的質(zhì)量和力學性能。借助仿真數(shù)值分析對兩個周期結(jié)構(gòu)在準靜力壓縮條件中的應力分布及失效模式進行了剖析。另外,以及熱處理工藝對基體材料的顯微組織結(jié)構(gòu)和硬度的影響進行了研究。通過力學仿真和試驗研究,本論文的主要總結(jié)有以下幾點:(1)SEM掃描電鏡結(jié)果可以為TPMS結(jié)構(gòu)的打印質(zhì)量提供可靠的預測,基體材料的打印密度均達到98%以上,SEM觀測下在樣品表面及內(nèi)部均未見大量宏觀孔洞和裂縫缺陷。(2)增材制造316L不銹鋼標準拉伸試件表現(xiàn)出典型的奧氏體鋼力學行為,具有較高的屈服強度(530 Mpa)及斷裂伸長率(48%),這些性能與有限元模型預測結(jié)果非常一致,SEM斷口處觀察表明其斷裂模式為延性失效模式。(3)通過有限元模型預測的P和G結(jié)構(gòu)的彈性行為和后屈服力學行為與試驗結(jié)果一致。仿真結(jié)果表明,G曲面結(jié)構(gòu)在壓縮下的所有晶胞單元上顯示出相對均勻的應力分布,導致穩(wěn)定的坍塌機制和能量吸收性能。相比之下,P曲面顯示出45℃剪切塑性變形模式,隨后是局部壁彎曲。說明TPMS結(jié)構(gòu)泡沫金屬的性能和變形機制很大程度上取決于晶胞的幾何形狀。(4)在討論分析中還發(fā)現(xiàn),在較低相對密度(?=20%)的時候P曲面的彈性模量、屈服強度、平臺應力、韌性比G曲面高出115%、94%、64%、66%。在較高相對密度(?=40%)的時候,P曲面的彈性模量、屈服強度比G曲面高出15%和2%,平臺應力、韌性比G曲面低出13%和10%。(5)對于不同溫度熱處理工況下增材制造316L不銹鋼,發(fā)現(xiàn)在本文所用的打印工藝控制參數(shù)下,316L不銹鋼激光快速成型的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出完全奧氏體?相結(jié)構(gòu)。在650~1050℃2h熱處理溫度范圍內(nèi),750℃所表現(xiàn)出來的硬度值最低,顯微組織結(jié)構(gòu)最佳,能夠消除由于激光快速成型所造成的高內(nèi)應力等問題。對于750℃熱處理后的TPMS結(jié)構(gòu)壓縮試驗表明,熱處理使316L不銹鋼的拉伸屈服強度降低19%,斷裂伸長率提高4%。
【學位授予單位】：廣州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU31
【圖文】：

導而不是彎曲主導而變形的細胞結(jié)構(gòu)，n和 m 可能更接近于一樣的值用公式（1-3）（1-4）進行有效的晶胞結(jié)構(gòu)設(shè)計，要么手動選擇適當通過實施組合的晶胞 TO方法，這樣子必須知道用于所選擇的晶胞結(jié)Ashby 公式 C1和 C5以及指數(shù) n 和 m。目前，關(guān)于增材制造晶胞結(jié)構(gòu)泡僅存在有限的數(shù)據(jù)。它們可以通過試驗確定，通過制造和測試不同相品，然后對力學性能數(shù)據(jù)進行適當?shù)臄M合。Yan 等[31]和 Dalaq 等[42]，他們分別研究了增材制造金屬和聚合物晶胞 TPMS 結(jié)構(gòu)。其他方等 Dalaq等也有使用。pfer[30]等人的理論研究評估了由晶胞幾何形狀產(chǎn)生的數(shù)值量化器的潛力胞類型的力學性能。使用有限元計算的結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn) Xperc。的值之胞幾何計算的參數(shù)，以及晶胞的相對體積模量。Kapfer 等人的研究的晶胞結(jié)構(gòu)的力學性能的互補且可能有用的方法，一種不依賴于機限元計算的方法，但確實捕獲了細胞幾何形狀的影響。

圖 1- 2 P 曲面立方晶胞warz’ D Surface這種表面命名為“鉆石”，因為它有兩個交織在一起的迷管狀鉆石結(jié)構(gòu)形狀。它有時在文獻中被稱為 F 表面。它可sin( )sin( )sin( ) sin( ) cos( ) cos( )cos( )sin( ) cos( ) cos( ) cos( )sin( ) 0x y z x y zx y z x y z 圖 1- 3 D曲面立方晶胞

廣州大學碩士學位論文圖 1- 2 P 曲面立方晶胞arz’ D Surface種表面命名為“鉆石”，因為它有兩個交織在一起的狀鉆石結(jié)構(gòu)形狀。它有時在文獻中被稱為 F 表面。它sin( )sin( )sin( ) sin( ) cos( ) cos( )cos( )sin( ) cos( ) cos( ) cos( )sin( ) 0x y z x y zx y z x y z

【參考文獻】

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1 李婧宇;朱飛鵬;雷冬;;三維DIC在鑄鐵拉伸試驗中的應變測量精度研究[J];力學季刊;2015年03期

2 朱飛鵬;王京榮;雷冬;何小元;;三維DIC在GFRP錨桿拉伸力學性能測試中的應用[J];實驗力學;2014年03期

3 盧秉恒;李滌塵;;增材制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展[J];機械制造與自動化;2013年04期

4 薛忍讓;宋志剛;鄭文杰;杜忠澤;;固溶溫度對316LN不銹鋼組織及力學性能的影響[J];金屬熱處理;2013年04期

5 潘兵;謝惠民;李艷杰;;用于物體表面形貌和變形測量的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法[J];實驗力學;2007年06期

6 張輝;張麗艷;陳江;趙轉(zhuǎn)萍;;基于平面模板自由拍攝的雙目立體測量系統(tǒng)的現(xiàn)場標定[J];航空學報;2007年03期

7 林鑫;楊海歐;陳靜;黃衛(wèi)東;;激光快速成形過程中316L不銹鋼顯微組織的演變[J];金屬學報;2006年04期

8 宋家奇;張建國;叢培武;;真空熱處理的現(xiàn)狀和展望[J];機械工人;2006年04期

9 秦紫瑞，李隆盛，林俊濤，郭珊，高文華;硫酸泵用合金耐蝕性研究[J];硫酸工業(yè);1995年03期

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1 張磊;Q235鋼拉伸性能的有限元仿真與試驗[D];吉林大學;2012年

本文編號：2791185