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技術文章

金屬仿生互鎖結構:幾何設計和斷裂性能分析

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     通過對界面的合理幾何設計,縫合結構可具有遠超組分材料的斷裂性能。現(xiàn)有研究表明,具有互鎖界面的縫合結構展現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性。AlSi10Mg具有良好的導熱性、耐腐蝕性等優(yōu)點,廣泛應用于航空航天領域。來自北京理工大學的廖海濤團隊開展AlSi10Mg緊湊拉伸試樣的斷裂實驗和數(shù)值模擬,研究互鎖界面的幾何參數(shù)對互鎖結構斷裂性能的影響。


     本文利用激光熔融方法制備了三種不同互鎖幾何參數(shù)的緊湊拉伸試樣(圖1),并對互鎖界面進行拋光處理和幾何拼接,以減小表面粗糙度對斷裂性能的影響?;ユi幾何參數(shù)間遵循圖2的設計關系。
     圖3表明,隨著互鎖角度的減小,數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的差異性越大。這可能是由于互鎖齒根部的局部失效影響逐漸顯著(圖4)。DIC結果顯示,隨著互鎖角度減小,結構在互鎖齒根部產(chǎn)生較大應變,并向內部擴展(圖5)。在此過程中,互鎖齒產(chǎn)生損傷,消耗了更多的能量,提高了結構的斷裂強度。
     本文采用裂尖張開位移來表征互鎖結構的斷裂性能??刂苹ユi角度和齒高不變,互鎖齒的寬度越小,承載能力越低,結構越易發(fā)生斷裂(圖6),而互鎖齒寬度越大,齒數(shù)明顯減少,界面處的相互作用減弱,結構的斷裂性能降低??刂苹ユi角度和齒寬不變,互鎖齒的高度越大,結構的互鎖程度越大,界面處的相互作用增強,但互鎖齒根部承載能力無法匹配結構的承載能力,從而無法顯著提升結構的斷裂性能(圖7)。
     本文研究了互鎖結構的互鎖角度、齒高、齒寬對結構斷裂性能的影響,結果表明,隨著互鎖角度的減小,互鎖結構的失效形式從互鎖齒的斷裂轉變?yōu)榻缑嫣幍哪Σ?,齒高和齒寬在一定范圍時能顯著提高結構的斷裂性能。后續(xù)可將本文所研究的反梯形互鎖結構擴展至梯形、三角形等互鎖結構。
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圖1 含互鎖界面縫合結構的緊湊拉伸試樣

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圖2 互鎖幾何參數(shù)間的設計關系
 


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圖3 CT試力-移曲線的實驗與數(shù)值模擬結果對比

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圖4 CT試樣斷裂情況的實驗與數(shù)值模擬結果對比


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圖5 CT試樣斷裂時應變的DIC結果

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圖6 不同齒寬對互鎖結構斷裂性能的影響

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圖7 不同齒高對互鎖結構斷裂性能的影響

文章以“Bio-inspired, metal additive manufacturing interlocked structures: Geometrically design and fracture performance analysis"為題,發(fā)表于Composite Structures。

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