【摘要】：本文針對定制負(fù)泊松比(Negative Poisson's Ratio,NPR)構(gòu)件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并利用選區(qū)激光熔化(Selective laser melting,SLM)技術(shù)在具有懸垂部分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工領(lǐng)域的優(yōu)勢,使用專用AlSi10Mg粉末對NPR構(gòu)件進(jìn)行了成形,研究了不同激光掃描速度對其成形精度和力學(xué)性能的影響規(guī)律。論文獲得的主要結(jié)論如下:基于SLM成形技術(shù),針對定制泊松比“內(nèi)凹”NPR對稱結(jié)構(gòu),通過添加傾斜支柱的方法完成了新穎單胞構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。從內(nèi)凹蜂窩NPR構(gòu)件參數(shù)化建模開始,結(jié)合有限元分析方法(Finite Element Method,FEM),驗(yàn)證了網(wǎng)格細(xì)劃和結(jié)果收斂性關(guān)系,通過獲取追蹤面位移計(jì)算得到不同支撐傾角構(gòu)件的泊松比值,確定了最優(yōu)支撐傾角(9°)及相應(yīng)最佳內(nèi)凹角(79°),實(shí)現(xiàn)了單胞結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選,綜合考慮圓角大小與應(yīng)力集中等因素,提出了定量優(yōu)化定制負(fù)泊松比構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思路,并在單胞構(gòu)件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成了多胞NPR構(gòu)件的成形。采用SLM工藝成形NPR單胞/多胞兩種構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)了單胞結(jié)構(gòu)的無支撐成形,研究了不同掃描速率下其懸垂位置的成形質(zhì)量,證明了傾斜支撐的添加改善了構(gòu)件的成形質(zhì)量,在激光功率P=300 W時(shí),最優(yōu)激光掃描速度v=2000 mm/s,成形構(gòu)件熔池均勻、規(guī)則,組織致密。同時(shí)對多胞對稱NPR結(jié)構(gòu)SLM成形過程中的取向和支撐進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化,研究了不同掃描速率下的成形精度,構(gòu)件成形尺寸整體偏小,且與基板分離前后高度方向尺寸變化較大而水平方向浮動(dòng)較小。完成SLM成形單胞/多胞構(gòu)件單軸壓縮試驗(yàn)及多胞結(jié)構(gòu)的有限元分析(Finite Element Analysis,FEA),獲取了單胞結(jié)構(gòu)彈性階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算了泊松比值,由于成形質(zhì)量的影響較模擬值偏小。同時(shí)也分析了多胞構(gòu)件的變形失效模式,獲取的最大壓縮應(yīng)力約為22 MPa與模擬值21.88 MPa較為吻合,對比了不同掃描速度下的局部斷口形貌,研究了多胞結(jié)構(gòu)整體變形失效模式。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG665
【圖文】：

能量吸收率的結(jié)論。ElipeJCá[37]提出了 2D/3D 的拉脹幾何結(jié)構(gòu) CAD(ComputerAidedDesign  CAE (ComputerAided Engineering)對比研究。建立了 CAD 拉脹結(jié)構(gòu)庫，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)庫動(dòng)態(tài)更新及響應(yīng)，完成不同拉脹幾何力學(xué)性能（如泊松比，最大體積收縮率，等效楊氏模量等）的詳細(xì)對比分析，為未來涉及到此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有用信息和幫助。1.1.2 負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的應(yīng)用利用 NPR 結(jié)構(gòu)受壓收縮的特性，將其應(yīng)用于汽車輪胎設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同路況和駕駛方式下的主動(dòng)控制及針對性適應(yīng)，如北汽集團(tuán) 2014 年推出的 NPR 結(jié)構(gòu)非充氣輪胎（圖 1.1 a），這種防爆免充氣的輪胎可以保證汽車始終處于最佳行駛狀態(tài)。此外，壓入式緊固件中也可以利用 NPR結(jié)構(gòu)的拉脹效應(yīng)提高安裝效率，負(fù)泊松比性能在拔出時(shí)徑向膨脹，提供更大的鎖緊力，從而提高緊固件的性能[38]。同樣，NPR 結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用在血管擴(kuò)張器以及人造血管中，利用拉脹效應(yīng)使其在擴(kuò)張的同時(shí)增加壁厚（圖 1.1 b），提高血管耐血流脈沖沖擊能力及壽命，避免因血管壁變薄導(dǎo)致的血管破裂問題[39]。除了這些，NPR 結(jié)構(gòu)憑借著更高的損耗因子，在吸能裝置和粘彈性阻尼方面也有極廣的應(yīng)用前景[1]。而且，NPR 泡沫特殊的彈性和吸音/波能力，也使其可以活躍在隔音材料領(lǐng)域以及艦船隱身技術(shù)等領(lǐng)域[40]。正是由于這些舉足輕重的意義，對 NPR 材料和結(jié)構(gòu)的研究也正從實(shí)驗(yàn)室理論基礎(chǔ)研究向與實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方向邁進(jìn)。

是一種不同于傳統(tǒng)去除材料的新型激光增材制造（Additive Manufacturing，AM）手段，繼承了選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）快速制造的優(yōu)點(diǎn)，提高了構(gòu)件的成形質(zhì)量，涵蓋了從低熔點(diǎn)的塑料、樹脂等高分子材料到高熔點(diǎn)的金屬、陶瓷以及合金材料，主要朝著大尺寸構(gòu)件快速成形以及復(fù)雜幾何構(gòu)件的精密成形兩個(gè)方向發(fā)展[41]�；阡伔鄯绞郊巴耆刍�/凝固機(jī)制，在通有保護(hù)氣氛（氮?dú)�、氬氣）的密閉腔體中，利用高能激光熱源，根據(jù)構(gòu)件幾何形狀選擇性地熔化鋪粉臂鋪設(shè)的均勻粉末薄層（一般為 30μm~100μm），實(shí)現(xiàn)逐層掃描、逐層凝固，并通過層層堆積的方式，完成強(qiáng)度較高、形狀復(fù)雜、組織細(xì)小的致密零件的加工。成形過程中具有較大的溫度梯度，極快的冷卻、凝固速度，再輔以支撐設(shè)計(jì)及掃描策略優(yōu)化，SLM 具有精密成形傳統(tǒng)工藝難以制備的高致密度、形狀復(fù)雜、組織獨(dú)特構(gòu)件的能力[42]，可以幫助設(shè)計(jì)師打破設(shè)計(jì)壁壘實(shí)現(xiàn)功能性優(yōu)先的設(shè)計(jì)理念，迎合了構(gòu)件輕量化以及一體化潮流，避免了多個(gè)構(gòu)件組裝時(shí)所需的連接結(jié)構(gòu)，既減少了成形的工序、又降低了出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。目前 SLM已經(jīng)被各國航空航天局用于發(fā)動(dòng)機(jī)等典型零部件的研究當(dāng)中，例如，美國航空航天局使用 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)的渦輪泵，與傳統(tǒng)焊接和裝配技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件輕量化降低了加工成本（原材料減重 45%（圖 1.2 a））；還有歐洲航天局支持的 Ariane 集團(tuán)設(shè)計(jì)的新一代液氧-甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（圖 1.2 b）。

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