手性压扭耦合结构选区激光熔化成形及功能调控研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liujmjm
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通过人为设计特定几何形状,压扭耦合结构能够产生使轴向受力状态转变为周向受力的特性,这颠覆了人们对材料或结构在载荷作用下变形响应的认知,且具有广阔的应用前景。但压扭耦合结构复杂,传统加工技术加工困难。目前对压扭耦合结构构型设计研究较少。本文基于自由度与约束空间拓扑法,设计了单层和双层手性压扭耦合单胞,并基于单胞特性进行了点阵化设计。利用选区激光熔化技术成形Al Si10Mg单层手性单胞,并研究了不同工艺下构件的成形性。进一步采用镍钛形状记忆合金成形双层手性单胞以及点阵结构,并结合有限元分析法及实验验证,研究了结构设计对性能/功能的调控机制。研究了不同激光功率对选区激光熔化成形单层手性单胞的致密化行为、成形精度及表面粗糙度的影响规律。研究发现:随激光功率从375 W增至450 W,激光工艺参数对构件整体致密度变化不明显,整体致密度均能达到98%。采用较高的激光功率能有效降低孔隙率,减少斜杆表面粘粉,球化现象,且能够通过重熔减弱阶梯效应,使构件表面粗糙度降低。通过压缩实验初步验证了手性单胞构型具备压扭耦合变形行为。研究了不同结构参数对镍钛双层手性单胞的力学性能、变形行为和形状记忆效应的影响。研究发现:随着斜杆倾斜角增加,结构屈服载荷从47.8 N降低至30.0 N。双层手性单胞的压扭耦合变形行为对结构参数倾斜角较不敏感,平均应变扭转角为1.32°/%。压缩5 mm(应变30%)后,双层手性单胞通过弹性回复和形状记忆效应能够实现大回复,平均残余应变量为8%,这是由构件在压缩过程中局部应变超过屈服应变,镍钛合金发生不可回复的塑性形变所致。基于手性单胞,提出了三种点阵构型,研究了不同单胞连接方式对点阵的力学性能、变形行为以及形状记忆效应的影响。研究发现:手性点阵、反手性点阵和平行点阵的最大压缩载荷分别为13.07 k N、5.34 k N和3.45 k N。其中平行点阵能实现零泊松比,手性点阵能实现层间扭转变形,反手性点阵能实现正泊松比。当应变量为5%时,三者均能实现近100%回复。
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