李慶棠，陳秀思，王方彬

（北京航天新風(fēng)機械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854）

0 引言

金屬三維點陣結(jié)構(gòu)是近年興起的一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其不僅具有良好的力學(xué)性能，同時也能很好地滿足對結(jié)構(gòu)-功能一體化的需求[1]。夾芯結(jié)構(gòu)中面板作為主要承力部分，作用是提供結(jié)構(gòu)所需的彎曲剛度、面內(nèi)拉壓剛度和面內(nèi)剪切剛度，主要承受面內(nèi)載荷、彎曲載荷等[2]。

點陣結(jié)構(gòu)通過模擬分子點陣構(gòu)型，并由節(jié)點和節(jié)點間連接桿件單元組成一種具有周期性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不同的胞元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的點陣材料會產(chǎn)生千差萬別的力學(xué)性能[3]。用Abaqus 軟件對兩種點陣夾心結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸和壓縮模擬，通過實驗驗證有限元分析的正確性。

1 實驗

1.1 模擬

本次仿真所用的單胞模型如圖1 所示，單胞尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，根據(jù)單一變量原則，單胞的相對密度設(shè)計為相等。圖2a 為頂點立方拉伸試片模型，圖2b 為體心立方拉伸試片模型。圖3a 為頂點立方點陣壓縮試塊模型，圖3b 為體心立方點陣壓縮試塊模型。

圖1 單胞結(jié)構(gòu)模型

圖2 拉伸試片模型

圖3 壓縮試塊模型

1.2 實驗

采用華曙高科FS271M 激光3D 打印設(shè)備打印模擬部分所用到的兩種點陣結(jié)構(gòu)的拉伸和壓縮試件（圖4、圖5）。所用粉末為TC4 鈦合金粉末，粒徑范圍15～53 μm。工藝參數(shù)：激光功率225 W，掃描速度1000 mm/s，層厚30 μm，打印工作在含＜0.1%氧氣的氬氣氣氛中進(jìn)行。用SLM（Selective Laser Melting，金屬粉末的快速成型技術(shù)）在同一打印參數(shù)下制備兩種點陣試樣，每種點陣試樣制備3 個。

圖4 拉伸試片3D 打印實物

圖5 壓縮試塊3D 打印實物

2 結(jié)果和討論

2.1 仿真結(jié)果

各點陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖6 所示。由圖6 可知，在點陣試片拉伸過程中，兩種結(jié)構(gòu)的單胞基本上沒有明顯變形，單胞節(jié)點處都存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；在點陣壓縮過程中，點陣結(jié)構(gòu)的每個胞元都保持相對均勻的變形特點，點陣結(jié)構(gòu)在45°方向上應(yīng)力較大，且在節(jié)點處有應(yīng)力集中。頂點立方結(jié)構(gòu)的桿中間位置應(yīng)力集中較大，兩端應(yīng)力較小。

圖6 點陣?yán)鞈?yīng)力和點陣壓縮仿真應(yīng)力云圖

2.2 實驗結(jié)果

表1 為不同點陣結(jié)構(gòu)最大拉力與實驗結(jié)果對比，表2 為不同點陣結(jié)構(gòu)最大壓力與實驗結(jié)果對比。

表1 不同點陣結(jié)構(gòu)最大拉力與實驗結(jié)果對比

表2 不同點陣結(jié)構(gòu)最大壓力與實驗結(jié)果對比

由表1、表2 可知，斷后試件的斷后伸長率均低于5%，表面出明顯的脆性斷裂特征，體心立方結(jié)構(gòu)實際能夠承受的最大拉力為27 540 MPa，低于頂點立方結(jié)構(gòu)能夠承受的最大拉力為28 150 MPa；頂點立方結(jié)構(gòu)實際能夠承受的最大壓力為38 307 MPa，高于體心立方結(jié)構(gòu)能夠承受的最大壓力25 868 MPa，但頂點立方結(jié)構(gòu)的打印效果并不是特別理想。結(jié)合應(yīng)用實際和點陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能來看，體心立方結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和實用性最好。

3 結(jié)論

從試驗和模擬兩方面對激光選區(qū)熔化TC4 鈦合金粉末點陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行研究。點陣?yán)鞂嶒災(zāi)M結(jié)果表明，頂點立方結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)兩種點陣在單胞節(jié)點處都存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷后試件的斷后伸長率均＜5%，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，從受力情況來看，體心立方結(jié)構(gòu)實際能夠承受的最大拉力為27 540 MPa，低于頂點立方結(jié)構(gòu)能夠承受的最大拉力為28 150 MPa。點陣壓縮實驗?zāi)M結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)的單胞變形較為均勻，節(jié)點處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，點陣在壓縮過程中45°方向上的應(yīng)力較大，變形更為明顯，斷后對壓縮試塊進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)壓縮試塊沿45°方向發(fā)生了斷裂，從受力情況來看，頂點立方結(jié)構(gòu)實際能夠承受的最大壓力為38 307 MPa，高于體心立方結(jié)構(gòu)能夠承受的最大壓力25 868 MPa，但是對于激光選區(qū)熔化技術(shù)來說，頂點立方結(jié)構(gòu)制造后存在較為明顯的缺陷，綜合實際生產(chǎn)和力學(xué)性能，體心立方結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于頂點立方結(jié)構(gòu)。體心立方結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果和試驗結(jié)果的誤差在10%左右，能夠較好地對試驗結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。