3D打印钛合金栅格薄壁梯度结构动态性能的表征与优化设计

Titanium microlattice thin-walled structures have great resistance to elevated temperature and external impact, which are of interest to a variety of industrial areas including military defense and aerospace engineering. In order to establish the accurate theoretical model and direct the engineering application, it is significant to comprehensively understand the mechanical responses of titanium microlattice thin-walled structures under different loading conditions. In the present project, to fulfill the lightweight and multifunctional requirements in aerospace engineering, the effect of processing parameters on the metal thin-walled structures will be conducted, which can be used to improve the mechanical behavior of the fabricated structures by additive manufacture technology. The experimental, theoretical and numerical methodologies are performed on 3D printed titanium gradient microlattice thin-walled structures subjected to various loading conditions: 1) to study the deformation behavior, collapse mode, failure mechanism and energy absorption ability; 2) to determine the influence of processing parameters and structures on mechanical performance, to establish the constitutive load-displacement model with the consideration of temperature and strain rate dependency; 3) to imply the effect of processing and meso-scopic parameters on the failure mechanisms of the structures under both quasi-static and dynamic loads; and 4) to propose an optimized way to design multifunctional titanium graded microlattice thin-walled structures, which can offer an important technical support for 3D printed gradient microlattice components applied in aerospace engineering.

钛合金栅格薄壁结构具备良好的耐高温和抗冲击特性，在军事装备和航空航天等领域有着重要的应用，深入了解其在不同载荷作用下的响应模式，对正确的建立理论模型和指导工程应用具有重要的意义。本项目针对航空航天领域对材料轻质多功能化的要求，研究增材制造技术对金属薄壁结构的影响，以提高增材制造金属薄壁结构的力学性能。以3D打印钛合金栅格薄壁梯度结构为研究对象，采用实验研究、理论分析以及数值模拟相结合的方法研究：一、在不同载荷作用下的变形行为、破坏模式、失效机理以及吸能表现，确定制备工艺参数及结构参数对宏观力学性能的影响规律；二、建立不同温度及加载速度下钛合金栅格薄壁梯度结构的载荷-位移响应模型；三、揭示制备工艺参数及细观参数对结构在动静载荷作用下的破坏机理的影响；四、提出多功能钛合金栅格薄壁梯度结构的优化设计理论与方法，为3D打印钛合金薄壁栅格梯度结构在航空航天领域的应用提供重要的理论支撑。

钛合金具备良好的耐高温和抗冲击特性，在航空航天等领域有着重要的应用。本项目以3D打印钛合金栅格薄壁梯度结构为研究对象，采用实验研究、理论分析以及数值模拟相结合的方法对其在不同载荷下的变形行为、破坏模式、失效机理以及吸能表现进行如下研究。.（1）采用优化的加工参数制备钛合金试样，并使用单轴拉伸、单轴压缩等试验技术对所制备的不同3D打印钛合金试样进行表征，分析了截面圆度对试验结果的影响，进而给出了考虑由加工引入的几何缺陷的J-C本构方程，为计算机模拟复杂结构的变形行为提供了数据支撑。.（2）根据前述研究成果，采用计算机模拟技术，通过理想模型和μCT重构技术，建立不同类型的钛合金栅格结构、薄壁结构以及梯度结构，深入研究其变形模式及吸能特性，有针对性的设计了六种钛合金栅格薄壁结构。.（3）采用分离式霍普金森杆等试验技术，对不同类型钛合金栅格结构进行了冲击载荷下的动态力学响应研究，分析了结构对力学性能的影响，给出了不同结构的应力-应变曲线，采用宏观与细观相结合的方法，给出符合变形规律的本构模型。.（4）针对所设计的结构，采用落锤、直撞式霍普金森压缩等实验技术研究其在不同应变率下的力学性能。结果表明所设计的结构具有良好的承载和吸能特性，可以满足工程应用的要求。