3D打印结构加强混凝土短柱抗压力学性能研究

以韧性树脂为材料,采用光固化3D打印技术,制作由若干纵筋和环向箍筋组成的3D打印结构网架,用于加强混凝土材料。混凝土试件为直径100mm,高200mm的圆柱,由M2.5水泥砂浆为基体,配筋率体积比为2.17%。另制作相同尺寸的无加筋素混凝土试件作对比试验。单轴压缩试验结果表明,与素混凝土试件相比,3D打印结构加强混凝土试件的抗压强度提高了53.28%,峰值应变提高了70.22%,极限应变提高了164.66%,峰前吸收能量值提高了134.21%。3D打印结构加强混凝土试件破坏后强度下降比素混凝土试件更缓慢,在破坏形态上,加强后的试件裂纹更窄。本文论证了3D打印结构加强混凝土在工程中应用的可行性。     

含裂纹试件的声镜实验研究

本文利用声学显微，获得金属材料含裂纹试件细观力学特征图像。通过对比分析，从定性到定量，证明声学显微技术以其自身的独到之处成为一种有效的实验手段，在细观力学的研究中可能具有广泛的应用前景。     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

岩土力学虚拟实验仿真系统开发及其应用

数值试验是认识岩土材料细观与宏观力学行为的一种重要手段,是常规岩土力学实验的补充和延伸.本文以pfc颗粒流为平台,利用matlab和fish语言混合编程编写了岩土力学虚拟实验仿真系统,系统根据获取的岩土材料天然结构构造图像信息,可以生成含不同天然结构构造信息的岩土体试件.可以对不同规格试件实现伺服加卸载,可以监测任意点的应力应变信息,可以捕捉试件加卸载过程中的边界输入能量和摩擦能、动能及应变能的转换信息,捕捉试件的最终破坏形态和破坏过程中裂纹扩展信息及不同类型裂纹的数量演化信息.利用其可以研究岩土材料天然结构构造特征对其宏观、细观力学行为的影响.     

3D打印技术在岩石力学中的应用

3D打印技术是近30年快速发展的先进制造技术,不同于传统成型技术所采用的压制、锻造、铸造等方法,3D打印技术的原理是通过计算机构建三维数字模型后,用极薄的物理层将构件叠加打印出来。本文根据打印材料以及成型工艺的不同,对代表性3D打印技术进行了详细的分类,并阐明了不同种类的3D打印机工作原理,同时总结了3D打印技术的研究现状,并且结合已有的研究成果分类阐述了3D打印技术在岩石力学中的应用,其中包括基于3D打印技术的岩体物理模型研究、3D打印岩体各向异性特征研究、常温下3D打印岩体的力学性能研究、高温下3D打印岩体力学性能研究。最后总结了3D打印技术在岩石力学应用中的主要优势,并结合目前研究情况提出了3D打印技术在岩石力学中的应用的下一步研究。     

冲击作用下含预制裂纹梁柱试件的动态断裂

利用焦散线实验系统,进行了冲击加载下含预制裂纹梁柱试件的断裂实验,研究了梁柱试件的梁柱节点、梁上和柱端裂纹的扩展轨迹、扩展速度和应力强度因子的变化规律。实验结果表明:受冲击后,试件首先在梁柱节点处开裂,并在裂纹扩展过程中发生明显的曲裂运动,证明梁柱节点处最容易受到破坏。预制裂纹条数越多,梁柱节点处开裂越晚,说明裂纹条数少,能量可以在裂纹尖端积聚得更集中、更快。含柱端预制裂纹的试件,2条裂纹的开裂相隔时间要长于含梁上预制裂纹的试件;同时,试件的第2条裂纹优先在梁上裂纹处开裂,说明固端支座比简支梁断裂需要更多的能量。随着预制裂纹的增多,梁上裂纹在扩展过程中的曲裂现象减弱, 由于部分能量在柱端裂纹处积聚,用于推动梁上裂纹扩展的能量相应地减少。并且由于柱端裂纹的存在,梁上裂纹受到的拉应力分量减小,导致裂纹尖端受到弯矩变小,影响了裂纹的曲裂运动。     

3D打印混凝土各向异性力学性能研究

近年来,混凝土3D打印技术在土木建筑等领域取得了快速的发展和应用。与模板浇筑工艺不同,3D打印在逐行逐层堆叠的建造过程中引入了一定量的层间弱面和空隙,造成了细观非均质性;而且3D打印过程无法自动嵌入钢筋,制备纤维混凝土作为打印材料可有效改善力学性能。本文首先制备了一种适用于挤出型3D打印工艺的玄武岩纤维增强陶砂混凝土,将水平打印层作为XY平面,然后从三个正交方向加载,实验测试了3D打印混凝土的抗压、抗弯等力学性能,提出了各向异性系数及其评估方法。研究结果表明,对于单轴压缩,X方向强度最高,而对于抗弯性能,Y方向强度最高。纤维对挤出型3D打印材料的各向异性影响较大,纤维掺量越大,各向异性越大。     

植物细胞力学模型研究进展

植物细胞在结构上具有特殊性, 即细胞壁和胞内物质在力学性质上差异很大. 因此其力学模型的研究具有特殊意义. 植物细胞力学模型是植物组织力学行为的研究基础, 是连接宏观与微观生物力学发展的桥梁, 在农业和食品加工等领域中有重要的潜在应用价值. 本文就目前国际上在细胞力学模型研究中所采用的模型形式和理论分析与数值模拟等方法做较全面而简要的介绍, 并对本领域中存在的现实问题加以论述, 希望能够对我国在细胞力学领域的研究有所帮助.      

纯水合物力学性质研究进展

纯水合物力学性质是含水合物沉积物力学性质研究的基础, 其与水合物开采、海底地质灾害防治、CO₂埋藏、气体储运等诸多方面都密切相关. 然而受水合物形成条件和样品本身影响, 目前对纯水合物力学性质研究还存在很多争议和不足, 其中最主要的问题就是难于获取高纯度的水合物实验样品. 据此本文从实验和理论计算两个方面对当前纯水合物力学性质的研究进展进行了总结和分析, 提出可从宏观实验技术改进和微观分子动力学模拟两方面结合来尽可能消除水合物样品本身的影响, 揭示纯水合物力学性质与冰异同的内在原因, 掌握水合物样品残余水气和微孔隙对其力学性质的影响机理, 从而实现水合物微观力学本质与宏观力学特性间的衔接, 为今后含水合物沉积物力学性质及水合物力学性质相关领域研究奠定坚实的理论基础.     

3D打印陶砂轻质混凝土的制备与力学性能测试

混凝土3D打印在土木建筑等领域取得了迅速的发展和应用，利用陶砂制备3D打印混凝土材料有利于提升打印结构的轻量化。本文首先研究了陶砂的物理性质，配制了5种不同陶砂掺量的混凝土，结合流动性与早期刚度测试结果，确定了满足挤出型3D打印的配合比。其次借助自行研发的3D打印机制备了4种不同路径的立方体试件和棱柱体试件，评估了打印路径对3D打印结构抗压、抗弯和劈裂力学性能的影响。试验结果为拓展陶砂材料的资源化利用，3D打印材料的设计与工程应用提供了试验数据和参考。     

聚合物粘结剂PVP、PAM和PVA结构与性能的分子动力学研究

在粉末打印骨支架的工艺中,粘结剂的性质是影响骨支架质量的关键因素。采用分子动力学的模拟方法对三种常用高分子粘结剂的体系进行了构建和模拟,从微观分子层面研究了聚合物粘结剂PVP,PAM和PVA的部分性质,比如密度、内聚能及力学性能,并对三种粘结剂的性能参数进行了比较,对其内在关系进行了揭示。此外,还通过建立粘结剂与羟基磷灰石的界面相互作用模型,对三种粘结剂与羟基磷灰石的界面结合能进行了计算和比较,分析了影响高聚物粘结特性的根本原因。这一工作不仅对常用粘结剂的基本性质进行了预估,而且对骨支架粉末粘结工艺中粘结剂的选择提供了理论依据。     

光固化3D打印与传统涂膜法制备聚酰亚胺的摩擦学性能比较研究

为研究光固化3D打印成形技术及其材料配方对光敏聚酰亚胺摩擦学性能的影响,分别采用光固化3D打印技术和传统涂膜成形对比评价了几种光敏型和热固型聚酰亚胺的摩擦学性能、热稳定性及机械性能等. 研究表明:为适应光固化3D打印成形需要而加入的活性稀释剂和交联剂对光敏聚酰亚胺的机械性能具有提升作用,但削弱了减摩抗磨和耐热性能;相较于涂膜成形的热固性聚酰亚胺,3D打印样品的耐热性能降低,摩擦系数升高了0.08,磨损率增加了9×10?6 mm3/(N·m). 尽管光固化3D打印聚酰亚胺的减摩抗磨性能低于热固成形聚酰亚胺,但基于光固化3D打印技术的一体成型、高精度和自由制造等诸多优势,对实现高性能及复杂结构精密润滑器件的一体化智能制造具有重要的工程意义.      

Experimental and numerical study of the effect of silica filler on the tensile strength of a 3D-printed particulate nanocomposite

Polymers are commonly found to have low mechanical properties, e.g., low stiffness and low strength. To improve the mechanical properties of polymers, various types of fillers have been added. These fillers can be either micro- or nano-sized; however; nano-sized fillers are found to be more efficient in improving the mechanical properties than micro-sized fillers. In this research, we have analysed the mechanical behaviour of silica reinforced nanocomposites printed by using a new 5-axis photopolymer extrusion 3D printing technique. The printer has 3 translational axes and 2 rotational axes, which enables it to print free-standing objects. Since this is a new technique and in order to characterise the mechanical properties of the nanocomposites manufactured using this new technique, we carried out experimental and numerical analyses. We added a nano-sized silica filler to enhance the properties of a 3D printed photopolymer. Different concentrations of the filler were added and their effects on mechanical properties were studied by conducting uniaxial tensile tests. We observed an improvement in mechanical properties following the addition of the nano-sized filler. In order to observe the tensile strength, dog-bone samples using a new photopolymer extrusion printing technique were prepared. A viscoelastic model was developed and stress relaxation tests were conducted on the photopolymer in order to calibrate the viscoelastic parameters. The developed computational model of nano reinforced polymer composite takes into account the nanostructure and the dispersion of the nanoparticles. Hyper and viscoelastic phenomena was considered to validate and analyse the stress–strain relationship in the cases of filler concentrations of 8%, 9%, and 10%. In order to represent the nanostructure, a 3D representative volume element (RVE) was utilized and subsequent simulations were run in the commercial finite element package ABAQUS. The results acquired in this study could lead to a better understanding of the mechanical characteristics of the nanoparticle reinforced composite, manufactured using a new photopolymer extrusion 5-axis 3D printing technique.     

3D打印多孔热固性聚酰亚胺含油复合材料

以氯化钠(NaCl)作为致孔剂与流变性能调节剂,碳纤维(CF)作为增强填料与流变性能调节剂,苯乙炔基封端聚酰胺酸溶液(PAA)作为基体树脂,配制适用于直书写3D打印的复合墨水,室温下打印成形后经热固化处理和NaCl刻蚀去除后制备了多孔热固性聚酰亚胺/碳纤维(TSPI/CF)复合材料. 研究表明:NaCl与CF对复合墨水的流变学性能具有好的调节作用;打印制备的TSPI/CF复合材料具有低的各向同性尺寸收缩和优异的耐热性能,且耐热性能随着CF含量的增加而提高;CF含量升高,TSPI/CF复合材料的孔隙率提高,平均孔径降低,力学性能增强;多孔TSPI/CF复合材料表现出优异的储油、出油性能以及浸油摩擦学性能.      

粗粒土离散元非球趋真颗粒模型

颗粒形状对粗粒土的物理力学特性有着显著的影响。离散元法广泛应用于粗粒土宏观物理力学特性的细观机理研究。为了考虑颗粒形状的影响,亟待发展计算高效的离散元非球趋真颗粒模型。本文基于X射线CT扫描技术并结合数字图像处理技术,对光滑和棱角性两类典型粗粒土(鹅卵石与碎石)进行三维重构,并提出了两类趋真颗粒模型,分别采用扩展超椭球模型和球多面体模型进行趋真逼近;开展了两类颗粒试样的3D打印和单轴压缩试验,分析了配位数和局部孔隙率分布等细观特性;基于离散元开源程序SudoDEM开展了两类试样的离散元模拟,并将模拟细观分析结果与物理试验进行了对比。结果表明,提出的两类趋真颗粒模型能够较好地对粗粒土颗粒进行离散元建模。     

Modeling rock specimens through 3D printing: Tentative experiments and prospects

Current developments in 3D printing (3DP) technology provide the opportunity to produce rock-like specimens and geotechnical models through additive manufacturing, that is, from a file viewed with a computer to a real object. This study investigated the serviceability of 3DP products as substitutes for rock specimens and rock-type materials in experimental analysis of deformation and failure in the laboratory. These experiments were performed on two types of materials as follows: (1) compressive experiments on printed sand-powder specimens in different shapes and structures, including intact cylinders, cylinders with small holes, and cuboids with pre-existing cracks, and (2) compressive and shearing experiments on printed polylactic acid cylinders and molded shearing blocks. These tentative tests for 3DP technology have exposed its advantages in producing complicated specimens with special external forms and internal structures, the mechanical similarity of its product to rock-type material in terms of deformation and failure, and its precision in mapping shapes from the original body to the trial sample (such as a natural rock joint). These experiments and analyses also successfully demonstrate the potential and prospects of 3DP technology to assist in the deformation and failure analysis of rock-type materials, as well as in the simulation of similar material modeling experiments.     

Complicated deformation simulating on temperature-driven 4D printed bilayer structures based on reduced bilayer plate model

The four-dimensional (4D) printing technology, as a combination of additive manufacturing and smart materials, has attracted increasing research interest in recent years. The bilayer structures printed with smart materials using this technology can realize complicated deformation under some special stimuli due to the material properties. The deformation prediction of bilayer structures can make the design process more rapid and thus is of great importance. However, the previous works on deformation prediction of bilayer structures rarely study the complicated deformations or the influence of the printing process on deformation. Thus, this paper proposes a new method to predict the complicated deformations of temperature-sensitive 4D printed bilayer structures, in particular to the bilayer structures based on temperature-driven shape-memory polymers (SMPs) and fabricated using the fused deposition modeling (FDM) technology. The programming process to the material during printing is revealed and considered in the simulation model. Simulation results are compared with experiments to verify the validity of the method. The advantages of this method are stable convergence and high efficiency, as the three-dimensional (3D) problem is converted to a two-dimensional (2D) problem. The simulation parameters in the model can be further associated with the printing parameters, which shows good application prospect in 4D printed bilayer structure design.

     

孔洞缺陷对3D打印Ti-6Al-4V合金疲劳试样应力分布的影响

3D打印金属技术因其个性化及可用于加工复杂零件等显著优点,在医用骨植入体领域得到了快速发展,但3D打印金属材料的孔洞缺陷所引起的应力集中现象严重降低了其疲劳强度,限制了3D打印生物金属材料的运用。本文针对3D打印Ti-6Al-4V合金超声疲劳试样,分析了Micro CT扫描试样得到的三维图像,获得了试样内孔洞缺陷的数量与体积;选择体积分数占比最大的孔洞,采用有限元方法分析了三种不同孔洞分布形式下的局部应力集中现象。研究发现,因空间位置的不同,独立的孔洞、接近自由表面的孔洞、相邻的孔洞三种不同孔洞的分布情况的应力集中系数差异显著。研究结果在一定程度上解释了目前EBM技术打印Ti-6Al-4V合金的孔洞缺陷如何对材料受力后的局部应力情况产生影响。     

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。