基于3D打印的周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的簡介.ppt

基于打印的周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的簡介,By 夢迷仙境0425 CQU,一、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料簡介,點(diǎn)陣（Lattice Structure）是一組無限的點(diǎn)，連接其中任意兩點(diǎn)可以得到一個(gè)矢量，點(diǎn)陣按此矢量平移后都能復(fù)原。三維空間點(diǎn)陣是在三維空間中點(diǎn)的無限陣列，其中所有的點(diǎn)都有相同的環(huán)境。 選任意一個(gè)陣點(diǎn)作為原點(diǎn)，三個(gè)不共面的矢量a， b和c作為坐標(biāo)軸的基矢，這三個(gè)矢量得以確定一個(gè)平行六面體，即晶胞。 通過按照一定的方式連接晶胞中陣點(diǎn)構(gòu)成strut（支架），我們可以得到不同的點(diǎn)陣單元（unit cell）。,晶胞,一種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),點(diǎn)陣、晶胞及陣點(diǎn),一、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料簡介,常見的點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu),體心立方類（body-centered）： 長方體體對角線相交形成的結(jié)構(gòu)及以此衍生出的其它結(jié)構(gòu)（bcc；bcc,z等）。 面心立方類（face-centered）：按一定的方式連接長方體6個(gè)面心形成的單元結(jié)構(gòu)及以此衍生出的其它結(jié)構(gòu)（fcc；fcc,z；f2fcc,z等），考慮到SLM的支撐要求，通常去除橫向支架。,體心和面心,一、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料簡介,點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料,點(diǎn)陣單元按照一定的方式周期性排布堆疊，即得到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料。,bcc,bcc,bcc,z,一、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料簡介,點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn),質(zhì)量輕（lightweight）。金屬點(diǎn)陣材料的密度大大低于傳統(tǒng)的固體材料,與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)相比, 具有相同性能的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以減重達(dá)70%以上。衡量參數(shù)：相對密度（relatively density）或體積分?jǐn)?shù)（volumn fraction）。 高比強(qiáng)度和高比剛度。相比金屬泡沫材料，結(jié)構(gòu)上可控制，沒有保守設(shè)計(jì)的約束。在低密度高孔隙率的情況下, 金屬點(diǎn)陣材料的強(qiáng)度和模量比金屬泡沫材料高出一個(gè)量級，承載效率更高，可以滿足航空航天、海洋、交通等領(lǐng)域?qū)τ谳p質(zhì)和強(qiáng)度剛度的要求。 耐沖擊?？商娲F(xiàn)有交通工具的裝備結(jié)構(gòu), 在保證足夠強(qiáng)度的情況下,減輕質(zhì)量并有效提高結(jié)構(gòu)對外沖擊力的防護(hù)。 高效散熱、隔熱性?？善鸬匠休d和散熱/ 隔熱的多重功能。 吸聲效果好。金屬點(diǎn)陣材料固有的多孔和周期性特征使其自然成為一種具有特殊聲學(xué)性能的結(jié)構(gòu)型材料。 電磁波吸收。電磁波在點(diǎn)陣材料的孔隙界面上會發(fā)生反射和散射, 因此金屬點(diǎn)陣材料本身就具有電磁屏蔽隱身的能力。,二、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)三維模型建立,以體心立方結(jié)構(gòu)為例,根據(jù)長方體體對角線，建立四根支架，形成體心立方單元； 體心立方單元向x、y軸兩個(gè)方向陣列，得到1010個(gè)單元的“面” 。由于模型特征數(shù)目多，陣列時(shí)速度較慢。 多個(gè)“面”通過裝配形成待研究的體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。由于單個(gè)“面”特征數(shù)目多，采用復(fù)制或者陣列命令會由于計(jì)算機(jī)的硬件限制而造成特征生成失敗。,由于單元尺寸比較?。?mm到8mm），所以一般點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料單元數(shù)目很多，用這種建模方法十分耗費(fèi)資源，非常容易造成建模失敗。國內(nèi)外研究者已經(jīng)著手用二次開發(fā)或?qū)Ｓ密浖斫鉀Q建模問題。,二、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)三維模型建立,點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)輕質(zhì)機(jī)械零件建模方法,1. 直接法：即先建立符合需求的材料結(jié)構(gòu)，再在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)零件。,優(yōu)點(diǎn)：建模方法簡單，后續(xù)開展理論力學(xué)性能研究相對容易。 缺點(diǎn)：硬件要求高，建模時(shí)間較長。,2. 反演法：根據(jù)零件的幾何形狀及力學(xué)特性，生成需求的微結(jié)構(gòu)。,三、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究,研究現(xiàn)狀,Deshpande等（2000, in Cambridge University）運(yùn)用力學(xué)理論和試驗(yàn)研究了基于一種八支架單元結(jié)構(gòu)（octet-struss）點(diǎn)陣材料的力學(xué)特性，包括對其彈性特性和屈曲、塑性屈服開展了理論研究并運(yùn)用有限元進(jìn)行分析。該研究表明，該八支架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有希望設(shè)計(jì)制造在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中金屬泡沫材料的理想替代材料。 S.McKown等（2007, in Liverpool University）研究了在準(zhǔn)靜態(tài)條件和壓縮以及沖擊載荷條件下，兩種體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及失效分析。 G.N.Labeas等（2010, in Patras University，Greese）通過改變在相同總體結(jié)構(gòu)尺寸下改變單元結(jié)構(gòu)的尺寸，得到相對密度不同的三種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。通過力學(xué)理論和beam-type有限元模型，開展力學(xué)性能研究，同時(shí)，還注意到了點(diǎn)陣單元幾何參數(shù)以及加工精度帶來的影響，提出在彈性和塑性變形階段點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。 M.Smith等（2011, Liverpool University）通過對比在壓縮載荷條件下的兩種有限元分析方法，提出由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料存在單元數(shù)目多、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，相對于常規(guī)的3Dcontinuum-type，beam-type有限元模型雖不能詳細(xì)分析點(diǎn)陣單元的全部受力特性，但是其網(wǎng)格數(shù)少，在可接受的尺度范圍內(nèi)可以得到和試驗(yàn)相吻合的結(jié)果，可以分析單元數(shù)較多的結(jié)構(gòu)。,三、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究,研究現(xiàn)狀,Chunze Yan等（2012, in Exter University）研究了一種新型的gyroid單元結(jié)構(gòu)，并研究其尺寸對點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造性、相對密度和壓縮特性的影響。由于該單元點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有“自支承性”，運(yùn)用SLM技術(shù)可加工單元尺寸8mm的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 由上可知，我們可以得到關(guān)于現(xiàn)階段點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)特性相關(guān)研究的主要內(nèi)容： 根據(jù)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的對稱性，研究點(diǎn)陣單元的本構(gòu)關(guān)系，得到理論剛度矩陣（stiffness matrix）或柔度矩陣。 運(yùn)用SLM技術(shù)制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料，通常為立方體塊，立方體邊長20mm左右，單元尺寸18mm。 立方體樣塊和其CAD模型存在誤差以及幾何缺陷，主要研究球化現(xiàn)象和殘余應(yīng)力形成的原因。 研究立方塊在單方向壓縮或沖擊載荷條件下的力學(xué)性能，主要包括彈性模量、平臺應(yīng)力及壓縮應(yīng)變及金屬支架的臨界彈塑性屈服應(yīng)力。開展有限元分析（beam-element）結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析。 研究單元尺寸（aspect ratio）、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及空間布局對總體結(jié)構(gòu)性能的影響。,三、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究,球化現(xiàn)象（balling phenomenon）,(a) the struts of the gyroid cellular lattice structure with the cell size of 2 mm and the volume fraction of 15% made by the SLM process, (b) the cross section of a strut, (c) particles bonded to the surfaces of