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。     

3D打印石膏试件力学性质实验

3D打印技术目前已广泛应用在医疗、航空、汽车、建筑等领域,文中做了3D打印技术在岩石力学领域的应用尝试.利用3D打印技术制作两种类型的石膏试件进行实验室单轴压缩试验.实验表明：3D打印技术可以快速、精确、灵活地制作出所需复杂尺寸的试件;打印石膏试件密度较低;3D打印石膏试件具有强度低和塑性强的特性;简单标准试件的力学性质具有可重复性,含裂纹试件力学性质差异较大;含裂纹试件的制作尚存在技术上的困难.     

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.     

3D打印模型在光弹性法教学中的应用研究

本文将3D打印技术引入光弹性法的教学中,解决了传统技术制作光弹模型时成型周期长、试样初始残余应力较大等问题.以圆盘为例,详细介绍了3D打印光弹模型的制备过程.基于光弹系统测量得到了对径受压模型内部的等倾线、等色线相位和条纹值.制备了含不同形状孔隙的教学模型,丰富了课堂内容.展示了数字模型设计、物理模型制备、光弹条纹图采...     

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,井阐明了不同种类的3D打印机工作原理,同时总结了3D打印技术的研究...     

岩石紧凑拉伸断裂过程及其尺寸效应的三维数值模拟

采用最近开发的三维岩石破裂过程分析软件RFPA3D模拟单边裂纹紧凑拉伸断裂过程。试验中五个不同尺寸的岩样具有相同的力学性质参数分布,模拟结果得到了裂纹扩展中的应力场、位移场和声发射的空间分布以及单边裂纹扩展贯通的过程。单边裂纹拉伸断裂的路径是一个复杂的空间三维曲面,三维裂纹比二维裂纹更为复杂。分析了岩石试样的峰值强度和试样尺寸之间的关系。随着岩样尺寸的增加,峰值强度逐渐减小,并且延性破坏特征更加明显,模拟结果满足岩石的尺寸效应规律。最后模拟了三组不同均匀性的试样拉伸破坏过程,结果表明细观上的非均匀性对岩石尺寸效应有很大影响,随着非均匀性的增加,岩石宏观强度随之提高,即使在均匀材料中一样存在尺寸效应。     

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。     

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。     

圆柱体岩石试件在轴向双点负荷作用下应力分布的有限单元分析

用旋转体的有限元分析法,计算了在受轴向双点负荷圆柱体试件内部的应力分布,并讨论了应力分布规律.分析结果表明,应力分布与圆柱体岩石试样h/D(h,D 分别为试样离度和直径)及泊桑比μ有关,为点负荷试验测定岩石抗拉强度进一步提供了依据.     

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。     

3D打印连续微筋混凝土梁受弯承载力试验研究

连续微筋同步增强方法可有效提高3D打印混凝土结构的强度和延性,本文制备了3D打印连续微筋混凝土梁,试验研究了打印梁在四点弯曲作用下的变形和破坏规律,建立了开裂荷载和极限荷载的理论计算模型,并提出了结构正截面抗弯承载力的简化计算方法.研究结果表明:3D打印微筋混凝土梁的破坏模式属于少筋破坏,半截面加筋试件中的微筋全部屈服...     

冻融循环作用下注浆裂隙岩体力学特性试验研究

为了研究冻融环境下裂隙岩体注浆固结体力学性能的变化规律,对类岩石预制裂隙试样及其注浆固结体开展不同循环次数的饱水冻融试验,对特定冻融次数(0次、5次、10次、20次、40次及60次)下的试样进行单轴压缩试验和同步VIC-3D观测.试验结果表明:(1)随冻融循环次数增加,裂隙试样及注浆固结体的质量均先增后减,并伴随有表面...     

金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序

增材制造(亦称“3D打印”)是以数字模型为基础, 将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术, 涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合, 已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术, 也是《中国制造2025》规划的重要发展方向. 金属增材制造是3D打印技术的一个主要分支, 一般常采用高能束(激光、电子束等)作为输入热源, 通过熔化离散金属材料(粉材、丝材)进行逐层叠加打印制件, 从而弥补传统减材和等材制造的不足, 已在航空航天、汽车电子及生物医学等众多领域取得了典型应用. 然而, 从结构设计、制造过程到性能评价, 金属增材制造涉及众多的关键力学问题亟待解决. 例如, 由于金属粉材或丝材的离散效应, 如果工艺参数选择不当, 金属3D打印产品易出现内部缺陷和表面缺陷, 从而影响打印构件的宏观力学性能及服役可靠性.      

三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证

折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.      

动静态压缩下岩石试样的长径比效应研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置和INSTRON1346液压伺服试验机分别对直径为50mm,长径比为0.5,0.6,0.8,1.0,1.2,1.6,2.0的花岗岩试样分别进行水平冲击试验和单轴压缩试验,研究岩石试样在动静态压缩下的长径比效应。结果表明:动态冲击试验中,长径比对试样两端的应力平衡状态有显著影响。随着试样长径比的增大(L/D1.2),应力均匀化条件难以得到满足。试样的SHPB冲击破坏模式具有显著的长径比效应,随着长径比的增大,试样破碎程度降低,破坏模式由轴向劈裂破坏向轴向劈裂和层裂拉伸复合型破坏模式转变。在同应变率水平下,岩石的动态抗压强度随试样长径比的减小而减小(当L/D1.2时),这与静载作用下岩石单轴抗压强度随长径比的减小而增大的变化规律有明显区别。对岩石类材料来说,长径比的变化对静态抗压强度的影响程度要高于对动态抗压强度的影响,主要是因为静载试验下加载板和试样之间的作用时间长,而动载作用时间很短,导致小长径比试样静载下具有明显的端部效应,从而得到相对更高的名义单轴抗压强度。     

岩石破碎程度的分形度量

本文用分形几何方法对破碎岩石块度分布进行了统计分析，结果表明，分形维数Ｄ是反映岩石破碎程度恰当的统计特征量，同时指出，分形维数是岩石细观结构、破坏方式及试样形状尺寸等因素的综合反映．     

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系.试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机...     

基于数字图像处理的岩石细观破裂力学分析

将数字图像处理技术引入到岩石破裂过程分析RFPA2D(Rock Failure Process Analysis)系统,建立了岩石细观结构破坏过程分析方法．首先提取岩石的细观结构图像,再转化成RFPA2D的前处理数据和数值分析网格,然后进行应力求解和破坏分析．以花岗岩细观结构为例,阐述了运用基于数字图像处理技术的RFPA2D方法进行岩石细观结构破坏分析的过程．结果表明,在岩石破裂过程数值模拟分析中引入数字图像处理技术是岩石细观结构破坏力学行为研究的一种方便而有效的方法．     

材料超高温动态拉伸SHTB实验方法的有效性分析

针对高温拉伸分离式Hopkinson杆实验技术,通过数值模拟、实验验证以及几种典型材料的高温动态拉伸性能测试相结合的方法,对此实验技术中存在的几个关键问题进行了深入研究。结果表明:对于平板状钩挂式拉伸试样,通过标距段尺寸优化后,应力分布均匀,流动应力曲线与螺纹拉伸试样一致,且应力上升段后没有剧烈跳动;通过精确气动控制,在加载脉冲到来同时,可实现有效的试样快速同步组装和加载;当试样温度为1 200 ℃时,在冷加载杆与高温试样接触以及应力波加载试样的整个过程中,试样平均温度下降约1.3%,而加载杆端温升低于180 ℃。为了验证此实验技术,对3D打印TC4、镍基单晶高温合金DD6进行了最高温度约1 200 ℃时的高温动态拉伸力学性能实验测试。     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。