中南大学顶刊丨基于增材制造的晶格结构填充多胞管的一体化设计

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薄壁结构因其良好的耐冲击性能和轻质特性，在倒塌过程中展现出稳定且可控的变形模式，因此在车辆被动安全系统中作为吸能结构得到了广泛应用。随着对薄壁结构能量吸收器的深入研究，传统空心管的耐撞性潜力已基本被挖掘完毕。另一方面，晶格结构（LS）因其卓越的力学性能、灵活的设计性和精确的定制特性而备受关注。此外，增材制造技术的发展为结构设计提供了更大的自由度，使得研究人员可以将轻质高强的复合材料引入复杂的结构设计中。

Graphical abstract

近期，一些研究人员尝试将LS填充到薄壁结构中以提升其耐撞性。内部的LS可以通过相互作用改变薄壁结构的变形模式，使得混合结构吸收的能量大于各组分之和。此外，研究人员还优化了晶格填料的参数和分布，以实现最佳的耐撞性。然而，目前的晶格填充薄壁结构研究主要集中在金属材料上，而非复合材料。

中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室的汪馗教授课题组利用熔融沉积成型（FDM）技术，将短切碳纤维增强聚酰胺复合材料用于制造晶格结构填充的多胞管，设计了装配成形和一体成形的晶格填充多胞管，并通过准静态压缩试验表征了该结构的力学响应和能量吸收特性，详细研究了多胞管和晶体结构的变形机理和协同效应。在此基础上，对两种组合策略不同变形模式的复合格子填充多胞管的平均压溃力进行了理论分析。理论结果与实验研究吻合良好，可推广到其他具有不同填充构型的晶格填充管。

图1.(a)晶格填充多胞管的结构设计和尺寸参数；(b) 晶格结构的单胞；(c) FDM的原理：不同组合策略的示意图；(d) 装配成形的晶格填充多胞管；(e) 一体化成形的晶格填充多胞管

图2.晶格填充管(装配成形)及其各部分组件的(a)力-位移曲线和；(b)能量吸收特性比较

图3.晶格填充管(一体成形)及其各部分组件的(a)力-位移曲线和；(b)能量吸收特性比较

从图4的压缩过程中可以看出，内部的晶格填充影响了外管壁的变形模式早致折整数量蹈加，从而显著地提升了能量吸收性能。其中，空多胞管和装配成型的晶格填充管讲入屈服阶段后形成交替的折叠。而一体成型的晶格填充管在变形过程中受到内部结构的相互作用影响，其外部管壁的折叠变为对称模式，并在多胞管的内壁上产生了更多的塑性较链。

图4.(a) 空多胞管；(b) 装配成形的晶格填充多胞管和；(c) 一体成形的晶格填充多胞管的轴向压缩过程

这些突破性的研究成果以题为《Integrated design and additive manufacturing of lattice-filled multi-cell tubes》的论文发表于复合材料Top顶级学术期刊《Composites Science and Technology》。

该团队系列工作先后研究了不同材料及构型的薄壁结构在不同加戴谈率及环境温度下的轴向压流行为、交形模式以及吸能特性，并考虑了采用热压处理方法对3D打印复合材料薄壁结构界面性能的改善和耐撞性能的增强作用。此外，还基于FDM技术将功能材料引入薄壁给构设计，制造了具有形状记忆功能的薄壁吸能结构，表现出良好的形状可恢复性和吸能可逆性。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110252

来源：增材制造硕博联盟