基于3D打印的周期性點陣結構材料的簡介.ppt

基于打印的周期性點陣結構材料的簡介,By 夢迷仙境0425 CQU,一、點陣結構材料簡介,點陣（Lattice Structure）是一組無限的點，連接其中任意兩點可以得到一個矢量，點陣按此矢量平移后都能復原。三維空間點陣是在三維空間中點的無限陣列，其中所有的點都有相同的環(huán)境。 選任意一個陣點作為原點，三個不共面的矢量a， b和c作為坐標軸的基矢，這三個矢量得以確定一個平行六面體，即晶胞。 通過按照一定的方式連接晶胞中陣點構成strut（支架），我們可以得到不同的點陣單元（unit cell）。,晶胞,一種點陣結構,點陣、晶胞及陣點,一、點陣結構材料簡介,常見的點陣單元結構,體心立方類（body-centered）： 長方體體對角線相交形成的結構及以此衍生出的其它結構（bcc；bcc,z等）。 面心立方類（face-centered）：按一定的方式連接長方體6個面心形成的單元結構及以此衍生出的其它結構（fcc；fcc,z；f2fcc,z等），考慮到SLM的支撐要求，通常去除橫向支架。,體心和面心,一、點陣結構材料簡介,點陣結構材料,點陣單元按照一定的方式周期性排布堆疊，即得到點陣結構材料。,bcc,bcc,bcc,z,一、點陣結構材料簡介,點陣結構材料特點,質量輕（lightweight）。金屬點陣材料的密度大大低于傳統(tǒng)的固體材料,與傳統(tǒng)的金屬結構相比, 具有相同性能的點陣結構可以減重達70%以上。衡量參數(shù)：相對密度（relatively density）或體積分數(shù)（volumn fraction）。 高比強度和高比剛度。相比金屬泡沫材料，結構上可控制，沒有保守設計的約束。在低密度高孔隙率的情況下, 金屬點陣材料的強度和模量比金屬泡沫材料高出一個量級，承載效率更高，可以滿足航空航天、海洋、交通等領域對于輕質和強度剛度的要求。 耐沖擊?？商娲F(xiàn)有交通工具的裝備結構, 在保證足夠強度的情況下,減輕質量并有效提高結構對外沖擊力的防護。 高效散熱、隔熱性?？善鸬匠休d和散熱/ 隔熱的多重功能。 吸聲效果好。金屬點陣材料固有的多孔和周期性特征使其自然成為一種具有特殊聲學性能的結構型材料。 電磁波吸收。電磁波在點陣材料的孔隙界面上會發(fā)生反射和散射, 因此金屬點陣材料本身就具有電磁屏蔽隱身的能力。,二、點陣結構三維模型建立,以體心立方結構為例,根據(jù)長方體體對角線，建立四根支架，形成體心立方單元； 體心立方單元向x、y軸兩個方向陣列，得到1010個單元的“面” 。由于模型特征數(shù)目多，陣列時速度較慢。 多個“面”通過裝配形成待研究的體心立方點陣結構。由于單個“面”特征數(shù)目多，采用復制或者陣列命令會由于計算機的硬件限制而造成特征生成失敗。,由于單元尺寸比較?。?mm到8mm），所以一般點陣結構材料單元數(shù)目很多，用這種建模方法十分耗費資源，非常容易造成建模失敗。國內外研究者已經(jīng)著手用二次開發(fā)或專用軟件來解決建模問題。,二、點陣結構三維模型建立,點陣結構輕質機械零件建模方法,1. 直接法：即先建立符合需求的材料結構，再在其基礎上設計零件。,優(yōu)點：建模方法簡單，后續(xù)開展理論力學性能研究相對容易。 缺點：硬件要求高，建模時間較長。,2. 反演法：根據(jù)零件的幾何形狀及力學特性，生成需求的微結構。,三、點陣結構的力學特性研究,研究現(xiàn)狀,Deshpande等（2000, in Cambridge University）運用力學理論和試驗研究了基于一種八支架單元結構（octet-struss）點陣材料的力學特性，包括對其彈性特性和屈曲、塑性屈服開展了理論研究并運用有限元進行分析。該研究表明，該八支架點陣結構有希望設計制造在輕質結構領域中金屬泡沫材料的理想替代材料。 S.McKown等（2007, in Liverpool University）研究了在準靜態(tài)條件和壓縮以及沖擊載荷條件下，兩種體心立方點陣結構的應力應變關系以及失效分析。 G.N.Labeas等（2010, in Patras University，Greese）通過改變在相同總體結構尺寸下改變單元結構的尺寸，得到相對密度不同的三種點陣結構。通過力學理論和beam-type有限元模型，開展力學性能研究，同時，還注意到了點陣單元幾何參數(shù)以及加工精度帶來的影響，提出在彈性和塑性變形階段點陣結構的應力應變響應。 M.Smith等（2011, Liverpool University）通過對比在壓縮載荷條件下的兩種有限元分析方法，提出由于點陣結構材料存在單元數(shù)目多、結構形狀復雜的特點，相對于常規(guī)的3Dcontinuum-type，beam-type有限元模型雖不能詳細分析點陣單元的全部受力特性，但是其網(wǎng)格數(shù)少，在可接受的尺度范圍內可以得到和試驗相吻合的結果，可以分析單元數(shù)較多的結構。,三、點陣結構的力學特性研究,研究現(xiàn)狀,Chunze Yan等（2012, in Exter University）研究了一種新型的gyroid單元結構，并研究其尺寸對點陣結構的制造性、相對密度和壓縮特性的影響。由于該單元點陣結構具有“自支承性”，運用SLM技術可加工單元尺寸8mm的點陣結構。 由上可知，我們可以得到關于現(xiàn)階段點陣結構力學特性相關研究的主要內容： 根據(jù)點陣結構的對稱性，研究點陣單元的本構關系，得到理論剛度矩陣（stiffness matrix）或柔度矩陣。 運用SLM技術制造點陣結構材料，通常為立方體塊，立方體邊長20mm左右，單元尺寸18mm。 立方體樣塊和其CAD模型存在誤差以及幾何缺陷，主要研究球化現(xiàn)象和殘余應力形成的原因。 研究立方塊在單方向壓縮或沖擊載荷條件下的力學性能，主要包括彈性模量、平臺應力及壓縮應變及金屬支架的臨界彈塑性屈服應力。開展有限元分析（beam-element）結果與試驗數(shù)據(jù)的對比分析。 研究單元尺寸（aspect ratio）、拓撲結構及空間布局對總體結構性能的影響。,三、點陣結構的力學特性研究,球化現(xiàn)象（balling phenomenon）,(a) the struts of the gyroid cellular lattice structure with the cell size of 2 mm and the volume fraction of 15% made by the SLM process, (b) the cross section of a strut, (c) particles bonded to the surfaces of