仿生层级轻质多孔结构建模、增材制造及力学性能分析文献综述

 2022-11-22 09:11

文 献 综 述

1.1 研究背景

多孔微结构在自然界中广泛地存在,如木材和骨骼,海绵和硅藻。其中常见的多孔材料包括蜂窝状和泡沫状结构,都具有质量轻、强度高以及其它优越力学性能。这类复杂的多孔微结构往往具有较大的比表面积、较高的比强度、比刚度,并且结构具有良好的连续性。近些年增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术的进步为具有复杂形态多孔结构的制造和应用提供了可能。

多孔微材料多为点阵结构[1],点阵结构具有质量轻、强度高、减震、吸能、降噪等众多优良的性能。随着增材制造技术的日趋成熟,点阵结构在航空航天、生物医疗等领域得到广泛应用。如何设计满足特定功能性需求的点阵结构来拓展零件功能,是当前需要解决的关键问题之一。有学者通过微米级的 3D 打印技术进一步操控多孔微结构,可以设计制造出介观尺度上的秩序性和周期性的材料,超越传统方法设计的无序分布的微格结构材料。

图1.自然界中的多孔结构:(a)(e)木材;(b)蜂窝;(c)骨骼;(d)丝瓜

1.2 国内外发展现状

作为多孔结构功能一体化材料发展的瓶颈之一,功能性微结构的几何建模技术近年来吸引了研究人员广泛的关注。2019年南航的喻长江等人[2]针对增材制造模型高硬度和高抗断裂韧性不可共存的问题,受自然界多级生物体结构的启发,提出了一种多级晶格结构建模方法。设计了具有一定力学特性的晶格模型族,对多级体空间进行分级填充,采用等值面几何建模算法实现了晶格间的过渡连接与梯度设计;通过单元映射的方法,利用有限元分析结果来驱动晶格结构的孔隙率、尺寸等参数,多次迭代获得满足生物力学特性的模型。在试验中取得了良好的效果。同时,南航的雷鹏福等人[3]针对多孔结构功能一体化材料设计困难的问题,提出了一种由复合函数驱动的大规模微结构自动化建模技术。

事实上,大多数自然结构都是具有复杂孔洞或不规则表面形态的复杂拓扑结构。这些结构可以用作轻质填充物、多孔支架、能量吸收器或微反应器。随着3D打印技术的快速发展,现在可以通过叠加分层材料高效、准确地制造出复杂拓扑结构。新颖的制造技术和应用背景对当前复杂拓扑结构的设计方法提出了新的要求和挑战。2018年浙江大学的Feng Jiawei等人[4]对近期复杂拓扑结构设计方法的发展进行了简要的回顾,阐明了当前的局限性和未来方向,其中的三周期最小曲面(Triple Periodic Minimal Surface,TPMS)是一种具有复杂结构的隐性曲面,在全世界范围内都引起了极大的研究兴趣。2019年南方科技大学的YU Shixiang等人[5]设计了两种TPMS结构,即Schwarz Primitive(P)和Gyroid(G),具有均匀密度和分级密度,并采用快速成型制造进行制造。确定了能量吸收与压应力之间的关系,并对Gyroid结构中的异常特征进行了深入探讨。

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