增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用

中国空间站是我国研制的系统最为复杂的载人航天器,其中有效载荷支撑结构的高效轻量化设计是工程研制过程中遇到的技术难题。本文介绍了受晶体对称性启发的增材制造自支撑三维点阵结构设计方法,发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法,完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计,该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造,通过了力学试验考核,实现结构减重50%,基频提高35%,完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。     

Nb3Sn高场复合超导体临界性能力学变形效应的多尺度模拟

A15型Nb₃Sn超导体是制造高场( > 10 T)超导磁体线圈的主要材料, 被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体装备制造领域. 力学变形诱导的Nb₃Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响. 鉴于Nb₃Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征, 不同尺度下变形与超导电性能耦合行为是相互关联的, 本文建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力电磁耦合本构模型, 提出了从原子尺度A15晶体结构到超导体微结构到宏观非均质Nb₃Sn复合超导体的多尺度模拟模型. 基于多晶体有限元方法, 对静水压加载条件下Nb₃Sn多晶体超导临界温度衰退和单轴拉压加载条件下Nb₃Sn复合多晶体临界性能衰退行为进行了模拟预测, 预测结果与实验观测结果定性吻合. 该模型揭示了Nb₃Sn复合超导体变形-超导电性能多尺度耦合机理, 实现对高场超导体力、电、磁、热耦合行为的预测, 有助于提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力、电、磁、热多尺度耦合行为的认识和描述能力, 为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑.      

微纳米点阵力学超材料的设计和性能

在过去几年中,增材制造技术的不断涌现促进了点阵力学超材料研究的迅猛发展。本文主要介绍三维微纳米点阵力学超材料的性能和设计,强调点阵单胞基本单元的演化发展:从桁架到平板再到曲面,如何降低结构内部的应力集中,一步步实现理论预测的各向同性的Hashin–Shtrikman极限刚度。并对这一类力学超材料在生物医药、能源环境等领域的应用进行概述。     

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法

随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.      

新型复合材料点阵结构的研究进展

复合材料点阵结构是一种具有轻质、高比强、高比刚以及多功能潜力的新型结构材料, 近几年受到国外学者的极大关注, 是新一代结构材料一体化的理想结构材料. 本文概述了点阵复合材料及结构的发展历程, 包括复合材料点阵结构的拓扑构型设计、制备工艺研究、力学性能表征、失效模式分析、预报模型评价等方面的工作, 并给出了复合材料点阵结构的力学性能、失效模式和理论数值模型汇总表以及修正后的材料强度与密度关系图. 同时, 本文对复合材料点阵结构可能应用的领域进行预测, 并对其未来发展进行了展望.      

面向增材制造的双蒙皮夹层结构加筋拓扑优化方法

双蒙皮夹层结构是航空航天装备中的特殊承力结构,其典型代表为发动机尾喷管中的同步环构件。近年来,增材制造技术为该类薄壁结构的创新型设计提供了有利条件。但增材制造有其特殊的工艺要求,基于传统拓扑优化得到的设计结果往往存在大量的悬空区域,无法直接应用于增材制造工艺。因此,需要在优化设计阶段统筹考虑结构的力学性能和自支撑工艺约束。针对上述问题,本文提出了一种面向增材制造的双蒙皮夹层薄壁结构加筋拓扑优化方法,可在一次优化中同时得到优化的加筋布局和非均匀点阵分布,从而解决悬空结构的支撑问题,确保优化结果的工艺可达性。为了平衡计算成本和分析精度,本文采用渐进均匀化方法来求解不同类型单胞等效弹性性能,以适应不同复杂单胞构型。基于上述方法,本文给出了某发动机同步环结构的拓扑优化算例,结果表明,本文优化设计方法可以实现双蒙皮夹层结构中夹层加筋和点阵的共同优化,为航空航天装备中发动机同步环结构轻量化设计提供了思路。     

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理,进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围,对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望,依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型,分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究,展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.     

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用.轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障.高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料.这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料.本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势.     

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性, 以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍, 主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用, 主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景, 所面临技术挑战和巨大应用潜力.      

变体分比功能梯度点阵结构两尺度拓扑优化设计

功能梯度点阵结构以其轻质、高比强度/比刚度及高抗断裂韧性等诸多优越的性能受到广泛关注,由于其跨尺度及空间渐变的几何结构特点,目前功能梯度点阵结构的设计仍然是一项具有挑战性的任务。本文采用两步优化策略进行多分区功能梯度点阵结构刚度优化设计。（1）结合离散材料优化方法进行多分区离散材料优化,获得宏观均匀结构拓扑及合理的微结构分区。（2）进行空间梯度变化点阵结构参数优化,进一步扩大设计空间,获得变体分比的结构设计。相较于单一点阵微结构设计,两步优化策略可以更为有效地实现材料利用,显著提高结构刚度,且该方法适用于不同微结构构型,数值算例验证了该方法的有效性。     

轻质夹层材料的制备和振动声学性能

轻质夹层材料被广泛地用来制备动车组车体和飞机的机身,其结构设计面临着一系列挑战:即同时要求质量轻、力学强度高、散热性能好、动力学性能和隔声性能可调等多功能特性.针对动车组高速运行和飞机飞行过程中经常面临的振动及噪声问题,以及如何在现有的材料和结构基础上进一步减轻重量并获得更优良的综合性能是材料制备、固体力学、流体力学、声学、智能材料和结构、优化设计等诸多领域工作者面临的共同挑战.结合近年来围绕"超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究"国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述了有关轻质三明治材料及结构振动和声学特性的国内外研究进展及现状,以及相应的主被动控制技术;针对目前存在的问题,讨论并展望了有关轻质材料和结构动力学性能及隔声性能的研究发展趋势.     

金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能

金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术, 不同于传统的减材制造过程, 它是基于离散-堆积原理, 根据设计的三维数据模型, 逐层加工获得立体实物的制造技术, 具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点, 特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形, 在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景. 本文首先介绍了3种典型的金属增材制造技术原理, 包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术. 随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述, 以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响, 同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能. 最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、量化缺陷与残余应力对材料性能的影响、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望.      

植物纤维增强复合材料力学高性能化与多功能化研究

论文从植物纤维的微观结构、化学组成以及力学性能入手,针对植物纤维增强复合材料的界面性能,综述了国内外采用植物纤维表面处理方法来提升复合材料力学性能的研究进展,分析了所遇到的瓶颈,并进一步从复合材料结构设计的角度出发,充分利用植物纤维独特的多层次、多尺度的微观结构特点,通过揭示植物纤维增强复合材料多层次、多尺度的界面力学损伤破坏机制,实现了植物纤维增强复合材料的界面调控和力学高性能化。在此基础上,提出了植物纤维增强复合材料兼顾阻燃和声学性能的结构设计原则和特有的界面力学研究方法。此外,也介绍了相关基础研究成果在航空、轨道交通等领域的示范应用,并针对实现绿色复合材料的结构功能一体化的应用提出了未来研究方向。     

多孔材料/结构尺度关联的一体化拓扑优化技术

针对多孔材料的尺度效应和微结构构型的可设计性，提出以宏观结构最大刚度为目标，材料表征体胞构型为变量的材料／结构尺度关联一体化设计新方法．采用有限元超单元技术，验证了材料表征体胞尺度、边长比、平移、对称周期分布方式对构型设计结果的影响，实现了材料宏观布局设计、材料表征体胞构型精细设计以及多尺度均匀化设计的统一。基于凸规划对偶优化求解技术与二次型周长控制约束，完成了快速设计与材料分布棋盘格效应的控制。计算结果表明，在给定材料用量的情况下，该方法能有效地实现蜂窝结构的拓扑优化设计，设计结果充分反映了蜂窝夹层结构的尺度效应，为轻质结构设计提供了新的设计方法。     

薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化研究

新一代航天装备的主承力薄壁舱段在追求极致轻量化的同时,还具有更高的刚度和抗屈曲等设计指标.传统结构形式和设计方法难以满足轻质高承载的设计要求.为此,本文提出了一种薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化方法,通过构建主层级稀疏加筋和次层级密集点阵增强结构整体和局部力学性能,扩展结构设计空间,有效提升材料利用率.其中,主层级加筋布局通过变密度拓扑优化方法获得,次层级点阵构型通过基于改进的渐进均匀化方法提出的两种设计方法获得,并基于材料插值模型,建立了多层级并发加筋拓扑优化框架,实现在一次拓扑优化求解中同时获得主层级加筋布局和次层级单胞拓扑构型.基于上述方法,本文分别给出了考虑结构刚度和稳定性设计需求的优化算例,并与传统单层级加筋拓扑优化进行了对比.结果 表明,多层级并发加筋方法可以根据承载边界和设计目标寻找优化的结构形式,且在相同质量下,其优化构型相比传统单层级拓扑优化结果表现出更高的承载性能,证明了本方法在薄壁结构设计上的优势.     

考虑微结构连接性的双尺度结构自然频率拓扑优化

多孔材料因具有轻量化、高孔隙率和减振/散热等优良多物理特性,在航空航天等领域具有广阔应用前景。采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,有助于获得具有优良力学性能的结构设计。然而,传统逆均匀化微结构设计方法无法确保不同多孔材料微结构之间的连接性,设计结果不具备可制造性。本文面向含多种多孔材料的双尺度结构基频最大化设计问题,考虑不同微结构之间的连接性,协同设计多孔材料的微结构构型及其在宏观尺度下的布局。采用均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,通过对不同多孔材料微结构单胞的边界区域采用相同的拓扑描述确保双尺度优化过程中任意空间排布下不同微结构的连接性,并通过优化算法确定微结构间的连接形式及微结构拓扑。在宏观尺度,提出结合离散材料插值模型和RAMP插值模型RAMP (Rational Approximation of Material Properties)的多孔材料各向异性宏观等效刚度及质量插值模型,获得清晰的多孔材料宏观尺度布局并减轻优化过程中伪振动模态的影响。建立以双尺度结构基频最大化为目标,以材料用量为约束的优化列式,推导灵敏度表达式,并基于梯度优化算法求解双尺度结构拓扑优化问题。数值算例表明,采用本文优化方法能够有效确保基频最大化双尺度结构设计中不同多孔材料微结构之间的连接性,增强优化设计结果的可制造性。