【摘 要】
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复杂空间结构体因具有优秀的比强度、超大的比表面积、出色的抗冲击性效果可以作为实现结构轻量化的一种途径,并广泛运用在航空航天、医疗、汽车、船舶制造领域。金属工业产品在保证正常使用的同时实现结构的轻量化设计可以节省材料成本,具有重要实际意义。为了实现材料用量有限时发挥出轻量化结构最优力学性能的目标,同时使结构体在空间3轴向(X、Y、Z)承载均一并具备周期性阵列的能力,金
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复杂空间结构体因具有优秀的比强度、超大的比表面积、出色的抗冲击性效果可以作为实现结构轻量化的一种途径,并广泛运用在航空航天、医疗、汽车、船舶制造领域。金属工业产品在保证正常使用的同时实现结构的轻量化设计可以节省材料成本,具有重要实际意义。为了实现材料用量有限时发挥出轻量化结构最优力学性能的目标,同时使结构体在空间3轴向(X、Y、Z)承载均一并具备周期性阵列的能力,金属空间结构在轻量化过程中需要解决结构设计与优化两方面的问题。另外,复杂空间结构体采用传统的成型技术难以成型,增材制造技术成型具有复杂结构的高强度轻质量金属材料展现出独特优势。不同结构形式必然导致力学性能上的差异与增材制造成型中不同的工艺参数需求。面对不同金属材料与结构形式,探究其最佳的增材制造工艺,不仅可以避免成型失败的风险,而且能提高制件的整体质量。为了找到一种适合高强度轻质量金属材料3D打印成型并具备优良承载能力的空间结构,本文开展了对轻量化空间网状结构及其增材制造成型工艺参数的研究。基于金属3D打印技术并按照排列组合方法设计三轴向力学性能均衡,并可以周期性排布的5种点杆结构基本模型(A、B、C、D、E),依次设定每个基本模型杆横截面直径参数为P_i,i=1、2、3、4、5。在控制各基本模型外围尺寸一致、同一减重比例的前提下,设定各基本模型杆横截面直径P_i为基本的轻量化参数。对简化后的基本模型进行静压分析,优选出承载能力较好的基本模型。在相同减重比例、同一量级网格数量的前提下,利用仿真软件ANSYS对静压分析结果进行了验证。将单参数基本模型进行两两之间的叠加组合,得到二元参数组合模型,同理可得三元参数模型。三元参数模型相对于二元参数模型内部结构紧凑,悬垂部分减少,更利于3D打印成型。依据承载能力与加工性能的差异筛选出可用于参数优化的多元参数模型。通过响应曲面优化方法完成多元参数模型在不同减重比例目标下的杆直径参数P_i取值优化。构建有限元参数化模型并按照实际意义调控参数取值范围,在减重比例目标为50%时,依据各模型响应曲面优化结果得到杆直径参数,然后对重构各模型进行承载能力验证与筛选。利用更精确的有限元模型与金属3D成型工艺中支撑的差异,对筛选出的重构模型进行二次筛选。进一步地,完成减重目标50%的模型参数优化及筛选后,对筛选出的重构模型在减重比例为30%、70%的情况下进行响应曲面参数优化,得到重构模型在不同减重比例(30%、50%、70%)下的杆直径参数取值。经过去应力集中优化、网格无关性检测、成型工艺性优劣分析,得到同时具备优良承载能力与加工性能的三元参数空间网状模型BDE4。其在不同减重比例(30%、50%、70%)下的杆直径参数取值(P_2、P_4、P_5/mm)依次为:1.2、1.2、1.3;0.7、0.6、1.1;0.6、0.8、0.6。对优选出的空间网状结构进行SLM成型工艺参数研究。设计了包括激光功率、扫描速度与支撑形式三个因素的正交试验方案,利用SLM设备完成了正交试验中不同工艺参数组合下模型的打印,完成了打印样件的成型精度测量。不同工艺参数组合的3D打印结果表明,所有的工艺参数组合均可以完成模型样件的打印,没有明显的塌陷与翘曲变形;模型的尺寸精度在±2%以内;模型的减重比例误差在±4%以内。合理的3D打印成型工艺参数组合可以提高空间网状结构在力学性能上的表现。为了探究最佳的工艺参数组合,对不同工艺下成型的空间网状结构进行金相观测分析、加载试验。为了分析成型缺陷对空间网状结构脆性断裂的影响,对不同工艺成型的空间网状结构断口进行形貌分析。通过金相分析不同工艺参数组合下成型样件的微观组织,确定了SLM成型的试样微观组织类似无晶界α或破碎晶界的网篮组织,同时散布着大小不一的孔隙。一定范围内激光功率不变时,扫描速度增加晶粒尺寸减小,同时伴随着α组织粗化,产生α集束,降低材料的强度与塑性。扫描速度一定时,激光功率增加使局部α组织变大,出现断续晶界α。通过加载试验与正交试验直观、显著性分析,印证了试样宏观性能与微观结构之间的关系,同时得到了在不同减重比例下打印该空间结构的最佳工艺参数与显著性因素。在减重70%时,最佳的工艺参数组合为激光功率290W、扫描速度900mm/s、块支撑1,各工艺参数对实际模型的极限抗压能力都有显著性影响;在减重50%时,最佳的工艺参数组合为激光功率290W、扫描速度900mm/s、体积支撑3,激光功率与扫描速度对实际模型的极限抗压能力有显著性影响;在减重30%时,最佳的工艺参数组合为激光功率290W、扫描速度900mm/s、体积支撑3,激光功率对实际模型的极限抗压能力有显著性影响。进一步通过断口形貌分析观察不同工艺组合下,不同试样同一位置断口的表面形貌特征及其孔隙缺陷,探究孔隙缺陷对断裂裂纹产生的影响。
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