基于压痕实验的增材制造构件力学性能识别反问题研究

Non-destructive and accurate structural performance validation system is the key fundament of the application of additive manufacturing (AM) technique in high-performance components manufacturing. Under this background, this project aims to investigate the inverse identification of anisotropic material properties of additive manufactured structures. This project takes full advantages of the popular non-destructive technique, the instrumented indentation test (IIT), for providing access to material properties. An accurate 3D indentation model is first built taking into consideration the friction between the indenter tip and the specimen. The influences of material properties on indentation responses are then carefully investigated in the aim of well understanding the non-uniqueness issue frequently encountered in solving such an inverse problem. Finally, in combination with dimensionality reduction and nonlinear-manifold learning algorithms issued from the field of machine learning, a novel protocol is proposed to probe accurately the mechanical behaviour of an as-printed structure in using a minimum number of indentation tests. The current project, with high practical feasibility, shall further promote the application of AM techniques in the field of mechanical engineering, particularly in the field of aviation design and fabrication.

本项目旨在充分发挥压痕技术的无损检测及局部精细测量优势，提出一种基于反问题求解的增材制造构件力学性能识别方法，以满足打印构件控性的迫切需求。主要研究内容包括：剖析增材制造构件成形质量对压痕实验中接触摩擦的影响机理，建立基于压头实测轮廓的压痕实验高精度力学分析模型；研究增材制造构件各向异性力学性能与压痕响应的内在关联机制，揭示构件力学性能识别反问题解的不适定性机理；采用数据降维算法分析压痕响应，建立可识别力学性能参数个数与压痕响应本征维数的关联关系，为压痕实验的设计与压痕响应的选取提供理论依据；采用非线性流形学习算法对反问题进行线性化处理，实现增材制造构件各向异性力学性能的高效精准识别。本项目的研究意义在于进一步发展增材制造构件力学性能验证技术体系，促进增材制造技术在高性能零部件直接制造中的应用。

增材制造技术经过近几十年的发展在工程应用方面取得了长足的发展，但在高性能终端零部件直接制造方面的潜力尚未完全发掘。造成其应用受限的主要原因在于材料打印过程中复杂的物理化学过程导致的制件力学性能缺乏一致性与稳定性。为此，准确检测打印构件力学性能并预测其在服役环境下的性能表现，对给出其是否可用的科学结论至关重要。为了克服现有材料性能验证方法中材料用量大、成本高以及测量得到的材料属性不能反映构件力学性能空间变化等不足，本研究项目提出采用仪器化压痕实验（Instrumented indentation test）进行增材制造构件力学性能的反问题识别方法研究。.本项目旨在充分发挥压痕技术的无损检测及局部精细测量优势，提出一种基于反问题求解的增材制造构件力学性能识别方法，以满足打印构件控性的迫切需求。本项目的主要创新点如下：深入研究了微米和纳米压痕下，不同方向增材制造材料的力学响应，明确了微米压痕为适用于增材制造材料的合适尺度；建立了压痕实验三维有限元精确表征模型，获得的单一方向压痕响应可以准确反映材料各个方向的力学性能；探究了材料各向异性参数对压痕实验响应的影响机理，合理制定了压痕实验实施方案并选取压痕响应；建立了横观各向同性塑性材料参数识别反问题模型，基于三维残余压痕和载荷-位移曲线分别实现了材料各向异性材料参数的快速识别，结果表明基于三维形貌的反问题较基于载荷-位移曲线的反问题具有更快的收敛速度。