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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?,F有研究表明,具有互鎖界面的縫合結構展現出優異的斷裂韌性。AlSi10Mg具有良好的導熱性、耐腐蝕性等優點,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值模擬,研究互鎖界面的幾何參數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幾何參數間遵循圖2的設計關系。
     圖3表明,隨著互鎖角度的減小,數值模擬數據與實驗數據的差異性越大。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生較大應變,并向內部擴展(圖5)。在此過程中,互鎖齒產生損傷,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,結構越易發生斷裂(圖6),而互鎖齒寬度越大,齒數明顯減少,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為界面處的摩擦,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 互鎖幾何參數間的設計關系
 


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圖3 CT試力-移曲線的實驗與數值模擬結果對比

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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,發表于Composite Structures。

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