增材制造三周期极小曲面结构的力学性能研究

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多孔结构是一种具有轻质、高吸能特点的结构,其一般由桁架或孔洞组成,是潜在的吸能、减振以及要求具有较高强度和比刚度的结构构件的候选结构形式。在种类众多的多孔结构中,三周期极小曲面(three period minimal surface,TPMS)结构因其新型、复杂、对称的拓扑结构,近年来在材料工程和土木工程领域受到广泛关注。与传统的蜂窝或栅格多孔结构不同,TPMS结构由连续且光滑的曲面组成,结构内部有较大的表面积和连续的内部通道,较少引起应力集中。近年来,随着增材制造技术(AM)的成熟,为几何形状复杂的TPMS结构提供了技术条件。可通过增材制造技术制备出各种TPMS结构试件,并对其力学性能进行研究分析。因此,本文通过增材制造技术制造出两种TPMS壁厚结构—TPMS均质壁厚结构与TPMS渐变壁厚结构。通过准静态压缩试验对两种TPMS壁厚结构进行力学性能研究,试验结果表明TPMS渐变壁厚结构相比于TPMS均质壁厚结构有着更显著的能量吸收能力,是一种理想的吸能结构。随后本文为改善TPMS渐变壁厚结构初始峰值力低的缺点,对TPMS渐变壁厚结构进行了参数化设计,提出了一种新型TPMS渐变壁厚优化结构。结果表明,该新型TPMS优化结构不仅改善了常规TPMS渐变壁厚结构初始峰值力低的缺点,且保留了其吸能能力强的优点,是一种力学性能更加优秀的TPMS渐变壁厚结构。本文最后对TPMS结构动态方面的力学性能进行了研究,结果显示在低速冲击荷载下,TPMS结构的动态变形模式与准静态变形模式具有相似的晶胞破坏形式。本文对TPMS结构的准静态力学性能与动态力学性能进行了试验,得到了两种TPMS结构力学性能的特点,并在原TPMS结构的基础上设计出一种具有更高吸能能力的新型TPMS结构,为TPMS结构的优化设计及抗冲击性能研究提供了依据。
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