標 題：增材制造輕質(zhì)材料與結構力學性能一體化分析設計
英文標題：Integrated analysis and design of mechanical properties of additive manufacturedlightweight materials and structures
作 者：王書恒
指導教師：鄧子辰教授
培養(yǎng)院系：力學與土木建筑學院
學 科：力學
讀博寄語：面向國家重大戰(zhàn)略需求開展研究工作
主要研究內(nèi)容
諸多國家重大工業(yè)裝備及其極端服役環(huán)境均對高性能、輕量化的材料和結構提出了迫切的需求。據(jù)報道，航天器的質(zhì)量每減少1 kg，其發(fā)射過程中運載火箭的能耗就會減輕50 kg，發(fā)射成本至少會節(jié)省十萬元。材料-結構一體化設計是獲得低成本、高性能結構最有效的途徑之一，而增材制造技術則是實現(xiàn)復雜高性能結構設計最有利的保障。
圖1 國家重大工業(yè)裝備對輕量化材料和結構的迫切需求
圖2 增材制造材料與點陣結構的特點
在眾多輕量化材料和結構中，點陣結構因其多功能特性和可設計性而廣受關注，眾多國家和相關部門將超輕點陣結構的研究和制備作為一項重大國家戰(zhàn)略進行發(fā)展。近年來，增材制造技術的快速發(fā)展和日趨成熟推動了高性能、輕量化點陣結構在諸多國家重大工業(yè)裝備及其服役環(huán)境中的應用。然而，增材制造點陣結構往往呈現(xiàn)多材料、多尺度的特點，常見點陣結構，尤其是三維點陣結構多為各向異性，它們只在特定的一些方向上具有較高的剛度和強度，但工程中荷載的方向往往存在不確定性，需要根據(jù)加載方向控制點陣結構的力學性能。受增材制造工藝影響，其打印材料的內(nèi)部會有非常多的孔隙和裂紋，使得材料的力學性能呈現(xiàn)各向異性，從而增加了點陣結構力學性能預測與設計的難度。因此，本項目在西北工業(yè)大學博士論文創(chuàng)新基金（CX202032）的資助下，考慮增材制造工藝的影響，提出了增材制造聚合物材料各向異性本構模型，發(fā)展了增材制造點陣結構力學性能各向異性高效預測、控制與設計方法。具體的研究內(nèi)容和成果如下：
1.增材制造聚合物材料各向異性彈塑性本構模型研究
考慮增材制造工藝參數(shù)的影響，建立了增材制造聚合物材料各向異性彈塑性本構模型。針對熔絲制造(FDM) 和光固化成形 (SLA) 增材制造技術，研究了它們的工藝參數(shù)對成形材料力學性能的影響，揭示了不同工藝對材料力學性能的影響機理?；跈M觀各向同性假設和正交各向異性假設，結合實驗建立了增材制造聚合物材料各向異性彈塑性本構模型，推導出了材料在不同方向上彈性模量和拉伸強度的理論預測公式，并通過實驗進行了驗證。研究表明，熔絲制造工藝參數(shù)對聚乳酸 (PLA) 材料力學性能的影響要大于光固化成形技術對光敏樹脂材料力學性能的影響。且熔絲制造PLA材料的各向異性程度較大，建議采用正交各向異性模型描述其力學行為。光敏樹脂材料的各向異性程度較小，采用橫觀各向同性模型便能夠準確描述其力學行為。理論上，研究中所采用的本構模型和理論預測公式對其它增材制造聚合物材料也適用。
圖3 熔絲制造PLA材料的正交各向異性彈性模型
2.多材料、組合點陣結構彈性性能材料-結構一體化預測與控制
提出了能夠?qū)碗s桁架點陣結構彈性各向異性進行預測與控制的解析均勻化方法。在數(shù)值代表體元法(RVE) 和漸近均勻化的創(chuàng)新實現(xiàn) (NIAH) 方法的基礎上，發(fā)展了這兩種方法的解析實現(xiàn)方法，并獲得了拉伸主導型桁架點陣結構任意方向上彈性性能的解析表達式。該方法同時具備解析方法和數(shù)值方法的優(yōu)點，能夠靈活地調(diào)整點陣結構的幾何參數(shù)、材料性能和加載方向。與Gibson 和 Ashby (G-A) 的細觀力學法對比，該方法不僅能夠獲得相同的結果，還可以有效地預測具有多材料和復雜微結構的點陣結構的彈性性能。此外，基于該解析方法，還能推導得到桁架點陣結構彈性各向同性條件的顯式表達式。
圖4 多材料、復雜點陣結構彈性性能預測與控制
3.點陣結構等效性能高效計算與彈性各向同性設計方法
針對增材制造復雜桁架點陣結構的多尺度等效彈性性能的計算效率問題，提出了一種兩節(jié)點轉換方法，該方法能夠在保持計算精度不變的情況下提高計算的效率，通常只需要一個單胞參與計算就能夠得到收斂的結果。針對兩類彈性等效點陣結構，研究了相對厚度對它們彈性性能和強度各向異性的影響，揭示了相對厚度對它們力學性能的影響機理，并提出了它們在不同相對密度下初始屈曲模式的控制方法?？紤]增材制造材料的各向異性，結合材料的各向異性彈性模型，提出了彈性各向同性點陣結構的設計方法，為增材制造點陣結構力學性能的精確預測與設計提供了一定的參考。
圖5 點陣結構彈性性能高效預測、屈曲變形控制與各向同性設計
4.含缺陷增材制造結構失效分析
借助工業(yè)CT掃描技術，對選擇性激光熔融打印的點陣夾芯結構進行掃描重構，通過數(shù)模比較發(fā)現(xiàn)，實際打印結構與設計模型之間有一定的差別，主要體現(xiàn)在實際桿件的形狀與尺寸與設計模型有偏差，且桿件構筑方向與激光掃描方向?qū)υ霾闹圃烊毕莸姆植寂c數(shù)量有較大的影響，考慮這些因素的影響，將桿件截面近似等效為橢圓截面，依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行建模，并隨機挖取一定數(shù)量的孔隙進行建模分析。分析結果表明，制造缺陷的存在對結構的失效模式影響不大，但對結構的強度有較大的影響。
圖6 增材制造點陣夾芯結構含缺陷計算分析
主要創(chuàng)新點
1.考慮增材制造工藝參數(shù)的影響，建立了增材制造聚合物材料各向異性彈塑性本構模型，揭示了熔絲制造和光固化成形技術的工藝參數(shù)對其成形材料力學性能的影響機理，并建立了增材制造點陣結構含缺陷計算模型。
2.提出了能夠?qū)Χ嗖牧?、復雜點陣結構彈性各向異性進行預測與控制的解析均勻化方法，結合該方法和材料的各向異性彈性模型，設計出了增材制造彈性各向同性點陣結構，為增材制造點陣結構力學性能的精確預測與設計提供指導。
3.提出了桁架點陣結構等效彈性性能高效計算方法和彈性等效結構設計方法，并揭示了相對厚度對彈性等效結構力學性能各向異性的影響機理。
代表性創(chuàng)新成果
1.Shuheng Wang, Yongbin Ma, Zichen Deng, Kai Zhang, Shi Dai. Implementation of an elastoplastic constitutive model for 3D-printed materials fabricated by stereolithography [J].Additive Manufacturing. 2020, 33: 101104.（SCI 1區(qū)，TOP期刊，IF=10.998）
2.Shuheng Wang, Yongbin Ma, Zichen Deng, Xinwei Wu. Two elastically equivalent compound truss lattice materials with controllable anisotropic mechanical properties [J].International Journal of Mechanical Sciences. 2022,213(3): 106879.（SCI 1區(qū)，TOP期刊，IF=5.329）
3.Shuheng Wang, Yongbin Ma, Zichen Deng, Shen Zhang, Jiaxin Cai. Effects of fused deposition modeling process parameters on tensile, dynamic mechanical properties of 3D printed polylactic acid materials [J].Polymer Testing. 2020, 86: 106483.（SCI 1區(qū)，TOP期刊，IF=4.282）
4.Shuheng Wang, Yongbin Ma, Zichen Deng. Two-node method for the effective elastic modulus of periodic cellular truss materials and experiment verification via stereolithography [J].European Journal of Mechanics - A/Solids. 2021, 87: 104201.（SCI 2區(qū)，IF=4.220）
5.王書恒，戴時，吳鑫偉，馬永彬，鄧子辰.考慮材料各向異性的熔絲制造PLA點陣結構彈性各向同性設計[J].力學學報. 2022, 54(5): 1291-1302.（EI）
6.Shuheng Wang, Yongbin Ma, Zichen Deng. Preditions of Prediction of effective elastic modulus in different directions of periodic truss structures[C]. The 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics. Italy, 2021.（力學領域頂級會議）
7.王書恒，鄧子辰，張森，馬永彬，蔡佳欣.桁架結構中的缺陷對結構任意方向剛度的影響的分析方法[P],中國專利: CN202011349156, 2021-02-26.
