激光选区熔化成形点阵结构应用研究

点阵结构因内部孔隙率可设计,比强度、比刚度高,具有良好的减重效果,适用于结构轻量化设计。近年来,随着激光选区熔化成形技术的发展,点阵结构逐渐被应用到国内外航空航天领域。但激光熔化成形的点阵结构与传统点阵结构有较大区别,模型数据量极大、内部拓扑空间复杂,在设计过程中面临点阵结构标准化定义、模型信息传递、力学性能分析、内部质量检验等方面的挑战。通过对舱门点阵结构的应用研究,对上述挑战和问题进行了研究,为点阵零件设计提供了参考经验。     

树脂基复合材料点阵结构的制造技术研究进展

树脂基复合材料点阵结构集点阵结构与复合材料优势于一体，是实现飞行器等高端装备结构轻量化、功能化与智能化的理想结构材料。然而，由于复合材料点阵结构的材料高度各向异性、结构跨尺度、几何拓扑构型复杂、多功能集成设计需求等特征，导致复合材料点阵结构的制造技术存在诸多难题与挑战。本文回顾了复合材料点阵结构的发展历程，重点围绕近年来国内外在制造技术方面的研究与突破，根据点阵芯体的核心成形工艺，在给出制造技术分类与优缺点分析的基础上，总结了影响点阵结构成形质量的关键工艺，进一步剖析了制约当前复合材料点阵结构制造技术发展的问题，最后对复合材料点阵结构制造领域的未来发展趋势进行了展望。     

点阵夹芯主动冷却结构发展现状与展望

点阵结构呈周期性规则形状,具有比强度高、比刚度高、轻质及换热效率高的特点,是当前国际上公认的具有广泛应用前景的结构。将点阵结构应用于主动冷却技术,形成点阵夹芯主动冷却结构是解决超燃冲压发动机热防护问题的有效手段。点阵结构的发展离不开制备工艺的进步,本文对传统机械加工工艺与增材制造技术用于点阵结构制备的原理与现状进行了综述,通过文献调研归纳总结点阵结构单元、设计尺寸以及与其他强化换热结构的协同作用对换热性能的影响;在此基础上分析点阵夹芯主动冷却结构在超燃冲压发动机中的潜在应用价值,针对其工程应用提出下一步的发展建议。     

打印方向对SLM增材制造点阵结构力学性能的影响分析

为研究激光选区熔化（SLM）增材制造技术的制造方向对点阵结构力学性能的影响,基于不同的打印角度,制备了4组不同相对密度的Ti–6Al–4V面心立方（PC）点阵试样,并开展了力学性能数值仿真、试样微观形貌观测及单轴压缩试验。结果表明,不同打印方向引起的制造缺陷会造成点阵结构等效杨氏模量及失效模式的改变,低密度点阵结构呈现出无特定规律的“逐层坍塌”破坏,高密度点阵结构为整体“剪切”破坏;点阵结构支杆缺陷随打印方向与支杆夹角增大而增大,同时引起点阵结构等效杨式模量的各向异性,低密度点阵结构的制造缺陷对打印方向更敏感,在相对密度为0.1138时,不同打印方向的等效杨氏模量最大差异达14.6%;由于增材制造的内部缺陷,导致基于均质化理论的仿真结果相较试验值偏高。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

铆接工艺参数对孔边细观结构影响规律研究

铆接结构的疲劳寿命在很大程度上取决于孔边的微裂纹及其扩展,而铆接工艺参数对微裂纹的萌生与扩展影响显著。从细观角度分析铆接工艺参数对孔边细观结构的影响,探索铆接工艺参数对孔边细观结构的影响规律。采用试验方法,构建孔边细观结构表征参数,选择壁板与墩头和钉杆接触处圆角半径(MR)、孔边塑性层厚度(Md、MD)为表征的3个参数,分别研究了铆接工艺参数压铆力(Riveting Force)、镦铆过程时间(Riveting Process Time)、上铆头空腔(Upper Riveting Cavity)对孔边细观结构表征参数的影响规律。通过铆接工艺参数对孔边细观结构影响规律的研究,在装配连接时通过控制工艺参数实现对细观结构的改善,进而提高铆接结构的疲劳性能。     

简谐基础加速度激励下的点阵结构优化设计

航空航天类产品面临愈加剧烈的振动环境,同时对结构的设计也提出了更高的轻量化需求。针对简谐基础加速度激励下的结构振动抑制问题,基于高比强度、比刚度的轻质点阵结构,提出通过优化点阵结构杆件的截面尺寸来降低结构动响应的优化方法。以点阵结构杆件的截面尺寸为设计变量,结构体积为约束,建立简谐基础加速度激励下结构关键点处位移响应最小为优化目标的优化数学模型。采用模态位移法高效求解结构动响应及灵敏度,并通过GCMMA优化算法实现优化问题求解。数值算例和振动实验表明所提出的点阵结构优化方法在保证结构轻量化的同时,能够大幅度降低结构的振动响应。     

基于高精度通用单胞模型的材料细观结构拓扑优化设计

 利用高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了材料的宏观力学性能与细观拓扑结构之间的关系,采用遗传算法进行细观结构优化设计。以材料的极限剪切模量或体积模量为优化目标,从随机的细观结构出发,对实体材料体积分数进行约束,采用遗传算法进行优化,获得了满足设计要求的细观拓扑结构。利用细观结构的对称性减小了设计变量的规模,并对遗传算法的交叉过程进行了改进,有效提高了优化效率。以单相材料为例,验证了所提优化方法的有效性.     

基于激光选区熔化的点阵结构设计、性能及应用研究进展

激光选区熔化技术（Selective laser melting,SLM）作为第三次工业革命的引擎技术,突破了传统加工技术的制造极限,为航空航天、医疗、汽车等领域高性能部件的结构设计和制造提供了可能。点阵结构因具有高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和高比表面积等特性,已被广泛应用于各类学科领域。依托SLM技术,结合材料–结构–性能一体化的创新型制造模式,现阶段点阵结构已经成为多学科领域所提出的轻量化、高性能及多功能的设计及制造的有效解决方案。本文详细介绍了SLM技术制造点阵结构的种类、工艺协同性及设计优化方法;对点阵结构的力学性能和能量吸收能力进行了分析;阐述了几类典型功能点阵结构在航空航天、医疗及汽车等领域的应用,并就点阵结构在工程应用领域的未来发展做出了展望。     

镍基单晶合金蠕变细观结构演化及表征模拟

分析了NASAIR100在高温下不同应力和温度的蠕变及细观结构演化的异同,得到了材料4个主要的细观结构演化参数及其与蠕变的对应关系,在筏化模型的基础上建立了计及沉淀相筏化过程中厚度和基体通道宽度变化的细观结构演化模型,得到材料沉淀相和基体的细观演化过程及蠕变.结合试验结果,给出了不同细观演化方式对蠕变曲线的影响.在高温下同时考虑基体和沉淀相的4个细观参数变化可以使模型更贴近细观实际,并能较好地模拟材料在不同应力和温度下的蠕变.