3D打印纤维增强复合材料蜂窝结构设计及性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:triyve
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在《中国制造2025》的背景之下,3D打印作为目前研究热点之一,尤其是FDM打印在纤维增强复合材料零件成型方面具有较大优势。负泊松比蜂窝因其吸能性强、抗冲击、抗震等优点,在汽车及其他领域有较多的应用,但其变形具有单向不可恢复性,不可反复利用。针对这一问题,本文将重点研究负泊松比蜂窝的压缩性能,并对结构进行改进以实现吸能抗冲击以及回弹自锁可控的目的,具体研究内容如下:(1)通过拉伸试验测试研究了e-PA、e-PA/CF、PEEK以及PEEK/CF四种打印耗材的力学性能,包括拉伸强度、杨氏模量以及断裂伸长率;建立并通过熔融沉积打印技术实现负泊松比蜂窝成型,通过面内准静态压缩试验,研究不同材料对负泊松比蜂窝变形方式、力学性能、吸能性以及回弹性的影响,并将试验值与理论值做对比。结果表明,e-PA/CF材料的拉伸强度、杨氏模量最高;e-PA/CF材料相比较于PEEK/CF材料,加入碳纤维增强后,材料性能提升更为明显。蜂窝的变形方式均为“层层压溃”,对应平台阶段呈现波动变化;压缩强度、压缩模量、比吸能的最大值均为e-PA/CF蜂窝,且表现为较高的回弹性,故选用e-PA/CF耗材作为后续章节研究对象。(2)在负泊松比蜂窝的基础上改进设计蜂窝结构,并通过FDM打印等相对密度蜂窝。通过面内准静态压缩试验比较二者的变形方式、力学性能、吸能以及回弹情况。结果表明,负泊松比蜂窝表现为竖梁的失稳变形及变形不可恢复性,而改进负刚度蜂窝表现为斜梁的屈曲变形,释放压缩力后,变形具有可恢复性。等压缩位移时,负泊松比蜂窝的吸能能力要大于负刚度蜂窝,但回弹性小于负刚度蜂窝。(3)以e-PA/CF为打印耗材,通过面内准静态压缩试验,研究负刚度蜂窝的结构参数(包括夹角、横梁壁厚、竖梁壁厚以及斜梁壁厚)对蜂窝性能(包括变形方式、力学性能、吸能性以及回弹性)的影响。结果表明,负刚度蜂窝的变形方式主要表现为斜梁的“逐层屈曲”变形或局部对角斜梁的屈曲变形,且斜梁厚度相对偏小时,易实现斜梁自锁,而竖梁几乎不变形,横梁起到增强蜂窝刚度,限制横向变形的作用;蜂窝的吸能性随夹角、壁厚的增大而呈现出非线性增长趋势,并且夹角、壁厚对蜂窝吸能性的响应各不相同;调整结构参数,可实现蜂窝从回弹到自锁的变化。本文通过负泊松比蜂窝对不同材料的性能响应,为吸能防撞结构提供了参考;通过对负刚度蜂窝的结构设计,实现的可调控回弹结构在吸能缓冲、隔振降噪等方面具有较大的应用潜能。
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