3D打印弹性蜂窝结构力学响应与吸能性能研究

Patek等借助FFF制作出规则和渐变拓扑蜂窝结构，研究发现不同的拓扑排列可以改变结构的变形规律，且渐变拓扑结构具有更高的能量吸收。

Wu等采用理论和数值模拟方法研究了单孔结构和复合蜂窝的面内压缩响应，其中复合蜂窝以方形、圆形和六边形蜂窝作为蜂窝层，发现通过适当的进行蜂窝层的布置可以有效的提高负载均匀性并控制平台应力和能量吸收的幅度。

Feng等用曲面代替传统菱形蜂窝的蜂窝壁，借助FDM设计制造了具有不同相对密度和梯度排列的蜂窝结构并进行测试，实验和数值模拟结果表明规则蜂窝的强度和相对刚度随相对密度的增加而增大，与传统蜂窝相比，梯度蜂窝表现出最佳的能量吸收性能。

梯度多孔材料给我们带来了一种新的设计思路，了解梯度蜂窝结构的力学性能和能量吸收过程，以及它们与规则蜂窝结构之间的区别，有望为轻型功能渐变多孔材料的未来设计提供一定的指导。

在调研大量文献后发现，尽管定制3D打印蜂窝结构可实现力学响应和吸能性，但是许多工作都集中在刚性或脆性材料上，对工业塑料研究很少。因此，本课题以超弹性材料PDMS、弹性和柔性弹塑性材料TPU作为实验材料，采用实验和数值模拟的方法系统地探究了在准静态压缩下弹性多孔蜂窝结构的力学响应和吸能性。其中，以六边形蜂窝结构为主，探究了相对密度和材料对多孔蜂窝结构的影响；通过引入正方形和三角形单元，进一步探究了在不同材料下，单元形状对弹性蜂窝结构的影响。此外，还借助数值模拟的方法对梯度蜂窝结构的力学性能和吸能性进行了研究。

主要研究内容如下：

1. 材料与设备介绍：首先介绍了实验中主要使用的材料和设备；
2. 打印工艺与表征：然后探究不同材料的打印工艺，借助直书写打印(DIW)和熔融沉积成型(FDM)制作出不同材料的蜂窝结构并进行表征；
3. 材料力学性能比较：最后，通过单轴拉伸实验比较了三种材料的力学性能差异。
4. 规则蜂窝结构实验：通过实验的方法探究了规则蜂窝结构在准静态压缩下的变形模式、力学性能和吸能性，包括相对密度、材料和单元几何结构等的影响；
5. 弹性蜂窝结构循环压缩性能：其次，弹性蜂窝结构的循环压缩性能被进一步的表征，并借助物理发泡的方式制作了随机发泡材料，比较了其与规则蜂窝结构之间的性能差异。
6. PDMS材料实验与模拟：对聚二甲基硅氧烷(PDMS)圆柱进行单轴压缩实验并利用实验数据选取合适的本构模型，借助Abaqus6.14和选取的本构模型对上述单轴压缩实验进行模拟，以验证PDMS材料参数的准确性；
7. PDMS蜂窝结构建模与验证：然后介绍PDMS蜂窝结构的建模过程并将规则和梯度蜂窝结构的实验与数值模拟结果进行比较，以验证模型和材料参数的准确性；
8. 梯度蜂窝结构数值模拟：最后，设计了多种梯度蜂窝结构，通过数值模拟探究了梯度分布和单元排列对其变形模式、力学性能和吸能性的影响并与规则蜂窝结构进行比较。

蜂窝结构制作与表征：蜂窝结构的材料、设计、制作和表征进行系统的介绍。首先明确了题中用到的材料和仪器，并对主要制作和测试设备进行原理性的介绍；然后设计了本文要制作的蜂窝结构并制备相应的材料，借助直书写打印机和FDM打印机制作了由不同材料组成的蜂窝结构并进行表征；最后，通过单轴拉伸实验比较了三种材料的力学性能。

装置组成：该装置主要由计算机控制系统、三维移动平台和油墨输出系统三部分组成。其中，计算机控制系统用来进行三维结构的设计以及打印路径的编写，也通过其来控制移动平台的移动以及调整打印参数。

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