3D打印Ti6Al4V多孔结构压缩性能模拟研究

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钛合金多孔材料比强度高、比刚度高、耐腐蚀性强、具有能量吸收能力、渗透能力以及生物兼容性,是目前应用广泛的植入体材料。人体骨骼为层级结构,由强度、抗压性能、密度较高的密质骨和密度较低、内含血管的松质骨组成,因此,植入体材料的结构设计要与人体骨骼层级结构相匹配。多孔材料的力学性能和变形行为受胞元类型以及基体材料性能的影响,但目前最适合植入体材料的胞元设计仍无定论,因此采用新颖的设计方法进行胞元设计并通过改变结构参数调控其力学性能是研究的重点。本论文基于人体自然骨受力情况,采用拓扑优化方法设计胞元结构,运用ABAQUS构建准静态压缩模型,采用模拟的方法对拓扑优化胞元组成的钛合金均匀多孔结构和横向梯度多孔结构的压缩性能展开研究。具体研究内容有以下4个方面:首先,建立了准静态压缩基础模型,对激光选区熔化成形的Ti6Al4V材料进行拉伸性能测试,运用拓扑优化设计不同胞元尺寸和孔隙率的多孔结构试样并采用激光选区熔化技术成形,经单轴压缩实验获得多孔结构试样力学性能以及压缩应力-应变曲线。上述Ti6Al4V材料的性能和多孔结构试样的压缩性能为运用ABAQUS/Explicit动态分析步建立准静态压缩基础模型提供依据。其次,对准静态压缩基础模型进行优化,研究发现,影响模拟结果的因素包括材料行为、网格划分、分析时间、约束边界条件等,通过引入Johnson-Cook损伤模型、调节模型中网格划分、分析时间、约束条件、接触条件的设置,提高模拟模型的准确度,通过优化准静态压缩模型得到的模拟结果验证了实验结果。再次,建立了均匀多孔结构,运用优化的准静态压缩模型,对均匀多孔结构的压缩性能进行模拟,通过应力分析,确定了均匀多孔结构应力分布情况,研究了多孔结构胞元拉、压应力分布规律,分析了在弹性阶段多孔结构胞元的变形位置,研究了多孔结构胞元变形失效行为及其规律。研究结果表明:在结构总体积一定条件下,孔隙率对多孔结构压缩力学性能的影响明显,多孔结构的抗压强度、压缩模量、平台应力以及平台应力的波动幅度随孔隙率增大而下降。胞元尺寸的改变对多孔结构的抗压强度和压缩模量影响较小,但对结构在平台应力阶段的稳定性产生影响。最后,构建了横向梯度多孔结构,运用优化的准静态压缩模型,对横向梯度多孔结构的压缩性能进行研究,并探究横向梯度多孔结构与均匀多孔结构性能之间的关系。研究发现:横向梯度多孔结构的力学性能与结构的等效孔隙率有关,横向梯度多孔结构与均匀多孔结构力学性能之间满足Voigt模型,可通过代入均匀多孔结构力学性能以及所占体积分数估算横向梯度多孔结构力学性能,上述规律的发现为未来调控横向梯度多孔结构力学性能奠定了基础。
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