北理工方岱寧院士團隊：增材制造隨機缺陷對點陣材料力學行為影響

導讀：金屬增材制造，尤其是選擇性激光熔化過程，在制備具有復雜組分的點陣結構方面具有天然優(yōu)勢。但是，由于復雜的制造環(huán)境以及工藝過程，所制備的點陣結構內部往往具有大量的隨機缺陷，并且實際制備的試樣和理想設計模型存在較大偏差。

理論分析、實驗測試和數值模擬是研究點陣材料力學行為三種重要的技術手段。然而現(xiàn)有的大部分研究，當在開展理論分析或者建立有限元模型的時候，只是強調結構的拓撲構型和力學性能的關系，忽略了制造過程產生的隨機幾何缺陷對力學性能的影響。而一旦理論或者模型預測的結果和實驗結果存在較大偏差，研究者們往往將其歸因于制造缺陷。實際上，制造過程產生的隨機缺陷對點陣材料力學行為具有很大影響，因此探究其影響對于結構性能的魯棒性評估和安全可靠性的設計非常重要。

本研究探討了增材制造過程產生的隨機幾何缺陷對點陣材料準靜態(tài)力學行為的影響。結合原位CT力學試驗技術，通過建立統(tǒng)計的有限元模型，分析了不同幾何缺陷對點陣結構力學性能、變形機理和能量吸收能力的影響。相關論文以題為“Compression experiment and numerical evaluation on mechanical responses of the lattice structures with stochastic geometric defects originated from additive-manufacturing”在線發(fā)表在Composites Part B：Engineering上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108030

和豎直桿件相比，水平桿件具有更多的隨機幾何缺陷。當將隨機的幾何缺陷引入理想的有限元模型中時，有限元模型計算的結果能夠更好地與實驗結果相吻合。和桿件孔洞缺陷（strut porosity）和桿件彎曲缺陷（strut waviness）相比，桿件厚度變化（strut thickness variation）對結構的性能具有更大影響。

圖1 具有不同制造方向的點陣桿件的微結構

圖2 基于切片圖像的點陣結構的幾何重構過程

圖3 理想和統(tǒng)計的有限元模型

圖4 理想模型和統(tǒng)計模型預測的結果與實驗結果對比

圖5 隨機幾何缺陷對力學性能的影響

總之，本文探討了制造過程產生的隨機缺陷對點陣結構性能的影響。拓寬和發(fā)展了有限元計算模型，所提出的統(tǒng)計的有限元模型方法，能夠更好地預測所制備試樣的力學性能。如果能夠將相關的統(tǒng)計的有限元模型方法運用到實際計算中，將對結構的性能魯棒性和安全可靠性的設計評估具有很好的指導意義。

在北京理工大學方岱寧院士的指導下，博士生曹曉飛為本文的第一作者，李營副教授、肖登寶副教授為共同通訊作者。方岱寧院士爆炸毀傷與先進防護結構小組成立于2017年，主要從事輕量化力學超材料設計制備與性能表征、先進抗爆防護材料與結構等研究。

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