开题报告
1 文献综述
1.1 研究背景和意义
梯度轻质多孔结构因其具有优异的力学性能,在轻量化设计、能量吸收、热交换器和生物医学支架[1]等应用中具有很大优势(如图1所示)。此外,在防撞护置上的应用具有广阔的前景[2],如图2中的头盔,理想的防撞结构在碰撞发生时应具备一定的承载能力和吸收绝大部分的碰撞能量,且该吸收过程应以一种梯度变化的方式进行,以防止出现应力峰值,这样才能有效地保护人员和设备安全。因此,防撞结构要求具有碰撞能量吸收率高和一定的承载能力特性。相比传统多孔材料的制备方法,增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术不仅可以实现任意复杂构型的制备[3],而且可以制造具有梯度可控的轻质多孔结构。
图1.轻质多孔结构的应用 图2.采用轻质多孔结构打印出来的头盔
随着AM技术的快速发展,加工材料类型的多元化,成型模型结构的复杂化,加工零件质量的精细化,使得该技术在制造领域得到越来越多的青睐。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一种基于激光熔化金属粉末的增材制造技术[4,5],被认为是最具发展前景的增材制造技术之一。
根据增材制造技术的特性,实现产品轻量化的方式主要是两种:一是加工材料选择轻质型,如钛合金、复合材料、高分子材料等[6,7];二是从设计端出发,采用结构轻量化的设计,该轻量化方法主体是对模型的结构形态进行“减法”,即依据不同需求,对模型的表面形态或内部结构进行优化,使得模型整体重量较原始结构有大幅度的减轻[8,9]。在实际应用中,往往是两种方法的结合。比如头盔的设计中,要求既能起到很好的保护作用,又要求其质量足够轻。所以在头盔的设计中,既要选择合适的材料,又要设计合理的结构。因此,研究梯度轻质多孔结构能量吸收特性具有重要的研究价值。
1.2 研究现状
目前,多孔结构的造型方法主要包括隐式曲面造型和CAD造型,CAD方法适用于简单规则的多孔结构建模,而对于空间扭曲较大、拓扑结构复杂的多孔结构,隐式曲面造型理论有其独特的优势,其中隐式曲面造型又以三重周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)为研究的热点[10]。TPMS是一种在三维空间x,y,z三个方向上均表现为一定周期性的曲面,同时它更是一种能量最小的曲面,调整常数C能够实现曲面的内外偏置,通过该方法可以控制TPMS的空隙率以及孔径大小,若调整函数周期,则能实现单元的疏密控制,通过该方法能设计单元密度呈梯度变化的非均匀孔。TPMS在三维空间中无限伸展,具有零平均曲率。由TPMS衍生点阵结构具有天然的孔状结构,其截面的面积周长比小、形态分散,且呈阵列式分布,符合增材制造所需的支撑特性[3,11]。
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