左為增材制造陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能數(shù)學(xué)模型，中為預(yù)測(cè)效果，右為仿真結(jié)果
近日，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)等問(wèn)題，提出了力學(xué)性能預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)拓?fù)鋬?yōu)化模型。該研究成果于近期在線發(fā)表于國(guó)際力學(xué)領(lǐng)域期刊 International Journal of Mechanical Sciences (中國(guó)科學(xué)院1區(qū)TOP期刊，IF：7.3)。
陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、剛度大和質(zhì)量輕的特點(diǎn)，因此它在輕量化工程中被廣泛使用。而優(yōu)化節(jié)點(diǎn)連接的支柱結(jié)構(gòu)和幾何配置，可以讓陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)減少自重的情況下承受更大的載荷。然而，此前研究多是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真模擬來(lái)研究陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和破壞行為，在脆性微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論方面研究還需進(jìn)一步探索。
針對(duì)這一問(wèn)題，科研團(tuán)隊(duì)基于修正的Gibson和Ashby定律以及Timoshenko梁理論，建立了可以預(yù)測(cè)陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度和楊氏模量的數(shù)學(xué)模型。科研團(tuán)隊(duì)用立體光刻增材制造技術(shù)制備了不同縱橫比和幾何相對(duì)密度的拉伸主導(dǎo)(簡(jiǎn)單立方)和彎曲主導(dǎo)(體心立方)陶瓷微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，利用壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提出新型模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示模型的準(zhǔn)確度可以達(dá)到90-97%，表明該模型可以根據(jù)支柱的縱橫比和幾何相對(duì)密度，進(jìn)行陶瓷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，對(duì)微點(diǎn)陣壓縮行為進(jìn)行了有限元分析，闡明了微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的抗壓縮破壞過(guò)程。該研究為陶瓷點(diǎn)陣力學(xué)性能及預(yù)測(cè)提供了理論支持，為陶瓷增材制造工藝優(yōu)化提供了一種方式。
該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108752
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