两种不同点阵夹心结构的力学性能研究

李庆棠，陈秀思，王方彬

（北京航天新风机械设备有限责任公司，北京 100854）

0 引言

金属三维点阵结构是近年兴起的一种新型轻质结构，其不仅具有良好的力学性能，同时也能很好地满足对结构-功能一体化的需求[1]。夹芯结构中面板作为主要承力部分，作用是提供结构所需的弯曲刚度、面内拉压刚度和面内剪切刚度，主要承受面内载荷、弯曲载荷等[2]。

点阵结构通过模拟分子点阵构型，并由节点和节点间连接杆件单元组成一种具有周期性的拓扑结构，不同的胞元结构构成的点阵材料会产生千差万别的力学性能[3]。用Abaqus 软件对两种点阵夹心结构进行拉伸和压缩模拟，通过实验验证有限元分析的正确性。

1 实验

1.1 模拟

本次仿真所用的单胞模型如图1 所示，单胞尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，根据单一变量原则，单胞的相对密度设计为相等。图2a 为顶点立方拉伸试片模型，图2b 为体心立方拉伸试片模型。图3a 为顶点立方点阵压缩试块模型，图3b 为体心立方点阵压缩试块模型。

图1 单胞结构模型

图2 拉伸试片模型

图3 压缩试块模型

1.2 实验

采用华曙高科FS271M 激光3D 打印设备打印模拟部分所用到的两种点阵结构的拉伸和压缩试件（图4、图5）。所用粉末为TC4 钛合金粉末，粒径范围15～53 μm。工艺参数：激光功率225 W，扫描速度1000 mm/s，层厚30 μm，打印工作在含＜0.1%氧气的氩气气氛中进行。用SLM（Selective Laser Melting，金属粉末的快速成型技术）在同一打印参数下制备两种点阵试样，每种点阵试样制备3 个。

图4 拉伸试片3D 打印实物

图5 压缩试块3D 打印实物

2 结果和讨论

2.1 仿真结果

各点阵结构的应力云图如图6 所示。由图6 可知，在点阵试片拉伸过程中，两种结构的单胞基本上没有明显变形，单胞节点处都存在明显的应力集中现象；在点阵压缩过程中，点阵结构的每个胞元都保持相对均匀的变形特点，点阵结构在45°方向上应力较大，且在节点处有应力集中。顶点立方结构的杆中间位置应力集中较大，两端应力较小。

图6 点阵拉伸应力和点阵压缩仿真应力云图

2.2 实验结果

表1 为不同点阵结构最大拉力与实验结果对比，表2 为不同点阵结构最大压力与实验结果对比。

表1 不同点阵结构最大拉力与实验结果对比

表2 不同点阵结构最大压力与实验结果对比

由表1、表2 可知，断后试件的断后伸长率均低于5%，表面出明显的脆性断裂特征，体心立方结构实际能够承受的最大拉力为27 540 MPa，低于顶点立方结构能够承受的最大拉力为28 150 MPa；顶点立方结构实际能够承受的最大压力为38 307 MPa，高于体心立方结构能够承受的最大压力25 868 MPa，但顶点立方结构的打印效果并不是特别理想。结合应用实际和点阵结构的力学性能来看，体心立方结构的力学性能和实用性最好。

3 结论

从试验和模拟两方面对激光选区熔化TC4 钛合金粉末点阵结构的力学性能进行研究。点阵拉伸实验模拟结果表明，顶点立方结构和体心立方结构两种点阵在单胞节点处都存在明显的应力集中现象，断后试件的断后伸长率均＜5%，表现出明显的脆性断裂特征，从受力情况来看，体心立方结构实际能够承受的最大拉力为27 540 MPa，低于顶点立方结构能够承受的最大拉力为28 150 MPa。点阵压缩实验模拟结果表明，两种结构的单胞变形较为均匀，节点处存在明显的应力集中现象，点阵在压缩过程中45°方向上的应力较大，变形更为明显，断后对压缩试块进行观察，发现压缩试块沿45°方向发生了断裂，从受力情况来看，顶点立方结构实际能够承受的最大压力为38 307 MPa，高于体心立方结构能够承受的最大压力25 868 MPa，但是对于激光选区熔化技术来说，顶点立方结构制造后存在较为明显的缺陷，综合实际生产和力学性能，体心立方结构的性能优于顶点立方结构。体心立方结构模拟结果和试验结果的误差在10%左右，能够较好地对试验结果进行预测。