选区激光熔化铝合金点阵结构力学性能研究

2022-04-18刘仕钦尹衍军丁正峰周子杰

江苏科技信息 2022年5期

陈超,刘仕钦,尹衍军,丁正峰,周子杰

(江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江 212003)

0 引言

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,也叫作3D打印技术,是一种基于分层原理,运用数字化三维模型,将材料逐层堆叠,并将原材料快速成型为实体零件的新型制造技术[1]。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术作为激光AM最具代表性的技术之一,成型过程中具有无须模具、焊接且材料利用率高等特点使零件制造周期大大缩短、制造成本显著降低,定位于传统制造技术不能完成的高质量、低成本、高性能的复杂结构零件,因此,在航空航天、医疗、汽车等领域应用广泛。

点阵结构是一种由规则单元晶胞反复排列而成的新型轻质多孔结构,金属点阵结构材料具有许多独特且优良的性能,与传统材料相比,具有孔隙率高、结构多样化的特点,作为一种超轻多功能结构材料,具有巨大的发展潜力[2]。

铝合金是航空航天、医疗、汽车等领域主要使用的材料之一,在SLM技术中应用广泛[3]。本文以点阵结构的准静态压缩力学性能为主要研究方向,通过有限元软件Workbench对不同长径比参数的体心立方(BCC)铝合金点阵结构进行压缩实验仿真分析,从而研究体心立方(BCC)点阵结构力学响应及长径比对点阵结构力学性能的影响。

1 有限元模型建立

本文选取BCC结构这一具有代表性的点阵结构作为研究对象[4],不同结构参数如表1所示,L是点阵单胞的边长,D是直径,L/D是长径比,L1×L2×L3是点阵块的长宽高。本文选用的单胞边长L、直径D及长径比L/D均是应用中的常用数值。

表1 BCC点阵结构参数

使用SolidWorks 三维建模软件,对BCC点阵结构进行三维建模,如图1所示。首先绘制单个晶胞三维模型,后再对点阵单胞进行两次阵列,得到整体点阵块结构,最后得到的点阵块结构必须进行合并成一个实体结构,再导出x_t格式,进行有限元仿真等后续操作。

图1 BCC点阵结构建模过程

2 点阵结构压缩实验仿真

2.1 BCC点阵结构几何模型建立

使用SolidWorks 建模软件建立不同长径比BCC点阵结构几何模型,其模型胞元是5 mm×5 mm×5 mm的BCC型,整体结构是排列为3×3×3个的立方体(15 mm×15 mm×15 mm)结构,为了保证仿真模拟时受力均匀,在上下两个面各放置一块薄板,建立两个离散刚体壳单元结构,将其作为三维模型的刚性压板及底板,再将模型保存为x_t通用文件格式。

2.2 导入模型及建立约束

将上一步骤生成的x_t格式文件导入软件Workbench中,在Workbench中,刚体是整个结点和单元的合成体,故刚体的整体运动可由参考点的边界条件进行约束,在上下两个刚体平面上依次建立参考点RP1和RP2[5]。通过对参考点的力学加载,实现对整个刚体的加载,通过控制参考点的运动,可以控制刚体的整体运动,最终的结构见图2。

图2 BCC点阵结构有限元分析模型

然后进行有限元分析的模型参数设置,对有限元模型赋予材料密度、弹性模量、泊松比等重要结构参数[6],通过查阅专业资料可知,本实验研究所采用的母材材料铝合金参数为:密度7 850 kg/mm3,弹性模量200 GPa,泊松比0.3。

3 BCC点阵结构模态分析

首先在Workbench中创建一个Modal模态分析项目,并编辑材料属性,导入铝合金材料的弹性模量、泊松比和密度,将已创建的点阵结构导入几何模型,进入Mechanical模块划分有限元网格。本文仿真分析网格划分应用四面体网格,网格类型为Solid186单元,整体的网格数量为72 372个,节点数量为287 701个,通过仿真软件网格质量统计可知80%以上的网格质量在0.8以上,网格质量良好。

在Workbench实际压缩过程中,为了模拟点阵结构的整个变形过程,需要通过求解得到点阵结构的最低阶固有频率。分析频率时,首先要删除装配体中两个刚性面以及面之间的接触关系,仅保留对称边界条件,再创建线性分析步骤,最后分析点阵结构的前6阶固有频率。以长径比为6,单胞尺寸L=5 mm、D=0.72 mm的BCC点阵结构模型为例,分析结果如图3所示。BCC6点阵结构的最低阶模态为2阶模态,从模拟信息中能够得到固有频率为1 780.9 Hz,求导得BCC6周期约为0.000 56 s。在保证求解精度不变的前提下,分析总时间设置为最短周期的2倍,因此分析总时间为0.001 1 s。同样的方法可以求解得到长径比为8,单胞尺寸L=5 mm、D=0.56 mm,BCC8点阵结构的固有频率为1 131.6 Hz,分析总时间为0.001 5 s;长径比为10,单胞尺寸L=5 mm、D=0.43 mm,BCC10点阵结构固有频率为1 051.9 Hz,分析时间为0.001 9 s(分别见图4、图5)。最终可得出:对于铝合金点阵结构,随着长径比的增加,固有频率有所降低。

图3 BCC长径比为6的点阵压缩模型频率分析

图4 BCC长径比为8的点阵压缩模型频率分析

图5 BCC长径比为10的点阵压缩模型频率分析

4 BCC结构能量组成及分布分析

在模态仿真分析完成后,可以通过计算点阵结构模型的能量关系来判断是否为正确的准静态响应。能量平衡方程为:

式中:ETOT为系统的总能量;EI为内能;EFD为摩擦耗散的能量;EKE为动能;EV为耗散的能量;EW为外力做功。

通过分析可得,由于点阵材料质量小,施加载荷产生的速度很小,产生的惯性力可以忽略不计,因此点阵结构准静态动能也很小。另外,点阵结构的外力做功几乎等于模型的内能。综合上述分析可以推导出判断是否为准静态响应的一般性规律:在主点阵结构仿真过程中,变形材料所产生的动能只要不超过其内能的5%～10%,即为准静态响应。通过Workbench仿真分析后得出:点阵结构的动能EKE和内能EI如图6所示,BCC6的动能约为点阵结构内能的3.61%,BCC8动能约为点阵结构内能的2.83%,BCC10动能约为点阵结构内能的2.42%,所以3种结构的点阵结构的动能均小于内能5%,因此能够进行准静态响应有限元静力分析。

图6 不同长径比BCC能量曲线

5 BCC点阵结构静力学分析

5.1 导入模型并赋予材料属性

将SolidWorks构建的模型导入Workbench静力学模块,并编辑材料属性,导入铝合金材料的密度、弹性模量、泊松比[7]。

5.2 定义接触关系

为了更加真实模拟点阵结构受力过程,压头和基面两刚性面与点阵结构之间的接触设置为无摩擦应力接触。

5.3 网格划分

本文仿真分析网格划分采用的是四面体网格,网格类型为Solid186单元[8],整体的网格数量为72 372个,节点数量为287 701个,通过仿真软件网格质量统计可知80%以上的网格质量在0.8以上,网格划分良好。

5.4 设置边界条件

采用有限元Workbench对结构进行仿真模拟分析时,需要对模型点阵结构添加边界条件。本文有限元分析是模拟点阵结构准静态方向压缩实验过程,点阵块下方的基面模拟实验台的基面,完全约束其6个方向的自由度;而上方压头模拟实验台压板,只允许存在Y方向的自由度,另外5个自由度完全约束。由于刚体不可以使用Fixed Support进行固定约束,因此采用Remote Displacement对底部基面进行固定约束(将x、y、z方向的平动和绕x、y、 z轴的转动均设置为零),对上部压头只释放y方向的平动自由度,并在这个方向上施加3 mm的位移后进行点阵结构压缩仿真实验。

不同尺寸参数点阵结构静态压缩去除基面和压头后得到的应力云图如图7所示[9],能够看出,每种点阵结构在节点处均存在较为明显的应力集中。原因是点阵结构受到单向准静态压缩时,点阵结构节点处的刚度会集中变大,在抵抗压缩过程杆件弯曲变形时,节点处所产生的抵抗阻力也会变大,从而产生了塑性铰以此阻挡杆件的弯曲变形。另外从图7可知,点阵结构弯曲应力在杆件上呈现对称分布,点阵块中间的应力较小,节点处的应力较大。

图7 不同长径比点阵结构应力云图

图8 依次为BCC6、BCC8、BCC10的位移云图,能够看出,3组尺寸的点阵结构位移分布情况相似。在受力分析模拟中,总体位移沿Y的负方向先增后减,位移总体在3 mm上下浮动,误差较小可忽略不计,且与所施加载荷位移大小与方向基本一致。因此可以得出如下结论:3种不同长径比下的点阵结构位移变化情况基本一致,在模拟压缩过程中,BCC点阵结构被均匀地压缩,产生较好的塑性变形。