基于SLM的点阵结构优化设计及力学性能研究

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近年来随着选择性激光熔化(SLM)技术的蓬勃发展,为点阵结构的可制造性奠定了基础。点阵结构作为一种新型的轻质超强韧结构,因其优良的力学性能及功能性特点,引起了航空航天、体育和生物医学等应用领域的密切关注。目前国内外研究点阵结构的文章主要集中于简单点阵结构的力学性能与失效分析,针对点阵结构优化设计的研究较少。但在实际情况中,点阵结构多为“弯曲性主导结构”,故其承载能力仍相对较低。因此,研究点阵结构的等效力学模型并进行结构优化设计尤为重要。本课题以体心立方(BCC)点阵结构为研究对象,基于Gibson-Ashby理论,构建了点阵结构的等效力学模型,得出了影响BCC点阵结构等效弹性模量E*与初始屈服强度σ*性能的结构参数;利用SLM技术制备了316L不锈钢点阵结构及标准拉伸制件,借助扫描电子显微镜(SEM)观察拉伸制件的显微组织和断口形貌,以获得母体材料的力学性能参数并评估制件的内部成形质量;采用ABAQUS软件对不同结构参数的点阵结构进行仿真分析,探究其结构参数对压缩性能的影响规律,同时验证了理论预测模型的正确性。基于BCC点阵结构进行变密度优化设计,以杆件直径作为设计变量,以点阵结构的体积为目标函数,以SLM成形工艺与位移为约束条件,以最大化刚度、相对密度为评价指标求得BCC点阵结构尺寸优化模型。实现在强度基本不变的情况下,降低模型的质量,从而实现结构的轻量化设计。对尺寸优化后的模型进行压缩模拟,以验证优化结果的正确性。本文通过对BCC型点阵结构进行变密度优化设计,旨在得到力学性能及疲劳性能较好的点阵结构,为轻质点阵结构的优化设计与理论研究提供参考。
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