功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性

功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能. 为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律, 构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度) Gyroid结构, 通过3D打印光敏树脂制备样件开展了准静态压缩试验, 采用LS-DYNA构建仿真模型并与试验结果对比, 验证了仿真方法的有效性. 研究发现, 功能梯度壁厚分布方式显著影响结构力学性能及变形模式. 在准静态压缩下, 功能梯度结构呈现逐层压溃的变形模式, 在接触端产生局部的致密化带, 这一模式导致梯度结构吸能特性有一定提升. 基于准静态测试数据以及试验变形模式分析, 构建了Gibson-Ashby模型, 揭示了均质结构弹性模量和屈服强度随等效密度的变化规律; 利用该Gibson-Ashby模型, 预测了功能梯度结构屈服强度, 并构建等应力模型预测了梯度结构的弹性模量, 预测结果与实验值具有良好的一致性.
对于其动态力学性能, 构建了4种冲击速度仿真模型, 深入探讨不同冲击速度对梯度结构力学性能的影响规律. 功能梯度结构在高速冲击下, 由于其壁厚逐层递增的特性, 其局部压溃现象更为明显, 导致其在高速冲击下的致密化应变显著增大, 其吸能特性也有所提升. 其中, 对数梯度结构具有最高的屈服强度, 而Sigmoid梯度结构具有最高的平均平台应力和吸能特性, 其比吸能特性为13.01 J/g, 相较于相对密度为45% 的均质结构而言提升了45%. 此外, 基于刚性-完美塑性-锁定模型对梯度结构的动态平台应力进行拟合预测, 拟合结果与仿真结果吻合度较高, 为预测功能梯度结构的动态力学响应提供了计算方法.