伦敦帝国理工院士顶刊丨电弧增材制造钢结构的优化与承载能力测试

25天前浏览1404

文章摘要

本研究聚焦于电弧增材制造（WAAM）技术在制造方形中空截面（SHS）支撑柱方面的性能优化。研究团队通过WAAM制造了六种不同宽厚比的标准SHS和两种优化加固的SHS，并进行了局部屈曲行为的测试与分析。利用3D激光扫描和数字图像相关（DIC）技术，研究者详细捕捉并测量了WAAM样本的几何特征和结构响应。

实验结果显示，虽然WAAM SHS在短柱范围内具有可比的承载能力，但在细长柱范围内的局部屈曲性能较差。与Eurocode 3（EC3）的预测相比，现有的设计方法可能对WAAM钢元件过于乐观。优化后的加筋SHS在结构效率上表现出显著提升，承载能力和变形能力均有所增强。这项研究不仅为WAAM结构元件的设计提供了新的见解，也为未来在建筑等领域的应用奠定了基础。

正文

电弧增材制造（WAAM）是一种用于金属3D打印的定向能量沉积（DED）方法，能够以相对较高的速度和低成本生产复杂零件。尽管WAAM在建筑应用中具有巨大潜力，但对于WAAM结构元件的性能了解仍不足，其几何自由度尚未充分利用。为了解决这个问题，伦敦帝国理工学院研究员孟欣与英国皇家工程院院士Leroy Gardner等人合作在Thin-Walled Structures（中科院2区，影响因子6.4）上发表了最新研究成果Optimisation and testing of wire arc additively manufactured steel stub columns，研究了碳钢WAAM元件的局部屈曲行为，探索了通过优化实现改进结构效率的机会。

该研究通过WAAM制造了六种不同宽厚比的普通SHS以及两种经过优化加固的SHS，对其进行测试比较。进行3D激光扫描捕捉WAAM样本的几何特征，并采用数字图像相关（DIC）来进行测试期间结构响应的全场测量实验，结果显示，WAAM SHS短柱在短柱范围内具有可比较的承载能力，但在细长柱范围内表现出较差的局部屈曲行为。与Eurocode 3（EC3）的抗力预测进行比较表明，EC3为钢板结构规定的现有第3类细长极限和有效宽度方法可能对WAAM钢元件来说过于乐观。最后发现，经过优化加固的SHS表现出明显提高的结构效率，相对于质量的增加，承载能力和变形能力都显著提高。

论文研究重点

• 方形中空截面（SHS）内部加筋的优化研究。

• 采用金属丝弧增材制造（WAAM）制造了普通和加筋SHS样本。

• 基于3D激光扫描分析了WAAM样本的几何性质。

• 开展支撑柱试验以研究其局部屈曲响应。

• 通过优化的加筋WAAM构件实现了结构效率的提高。

图1. 荷兰阿姆斯特丹的MX3D桥

图2. SHS的不同加筋布局

图3. 优化的加筋SHS截面（尺寸以毫米为单位）：板式加筋（左）和角加筋（右）

图4. 优化的加筋SHS截面的标志曲线和关键截面屈曲模式：（a）板式加筋和（b）角加筋。

图5. 准备后的WAAM支撑柱样本。

图6. 基于扫描数据确定角半径。

图7. 从扫描数据中获得的样本S1（a）和样本S2（b）的平均截面轮廓（毫米刻度）

图8. 样本P3（t=3.5mm）的典型点云数据，经过不同滤波器尺寸过滤前后的对比（所有单位为毫米）。

图9. 某一典型平坦表面从样本P3的缺陷振幅（99.5th百分位值）对于滤波器尺寸的敏感性。

图10. 具有90°构建角度的WAAM支撑柱的截面（左侧）和纵向（右侧）几何缺陷的典型分布：（a）样本P3，（b）样本P5和（c）样本P6（所有单位为毫米）

图11. WAAM支撑柱中测量的局部几何缺陷与现有测量的特征值以及热轧SHS的公差的比较

图12. 来自以机械加工材料进行的之前的拉伸试验的8毫米厚WAAM钢应力-应变曲线

图13. 从H2材料中提取的机械加工样本的典型FSD图像、反极图示图和铁素体相的极图

图14. WAAM SHS支撑柱试验装置

图15. 来自支撑柱试验的负荷端缩短曲线，分别针对（a）8毫米厚的样本和（b）3.5毫米厚的样本

图16. WAAM支撑柱的破坏模式

图17. 样本S2的SHS和一个角加筋之间的局部断裂

图18. 从DIC结果获得的典型离平面位移场，分别针对样本P3（左）、S1（中）和S2（右）在极限后阶段

图19. 比较WAAM普通SHS支撑柱试验数据与EC3瘦弱极限和抗压预测

本研究探讨了采用电弧增材制造（WAAM）技术制造的标准和优化的方形中空截面（SHS）支撑柱的性能。首先进行了基于弹性屈曲应力的优化研究，以找出最佳的加筋配置以抵抗局部屈曲。通过采用高强度钢丝材料，使用不同的工具路径和构建角度，制造了八个SHS样本，包括六个普通SHS和两个加强的SHS，这些加强SHS采用了优化的内部加筋配置。使用3D激光扫描技术分析了WAAM样本独特的波浪状几何形状，进行了关键横截面尺寸的统计分析，同时使用扫描数据揭示了局部几何缺陷的分布情况。

对WAAM支撑柱样本进行了轴向压缩试验，采用了建造材料性能为基准的归一化方法。结果显示，在较宽厚比范围内，WAAM SHS的承载能力与传统制造的SHS相似，但在较瘦长范围内性能较差。此外，现有的欧洲规范3（Eurocode 3）设计方法被发现在预测瘦长WAAM SHS的局部屈曲抗力时存在过高的预测值，但需要进一步的测试数据来验证这一发现。最后，通过优化加筋的SHS显示出了与添加的加筋质量相比，强度和变形能力显著提高，表明金属增材制造通过结构优化具有提高材料利用效率的巨大潜力。

引用: Xin Meng, Ben Weber, Masashi Nitawaki, Leroy Gardner, Optimisation and testing of wire arc additively manufactured steel stub columns, Thin-Walled Structures, 189, 2023, 110857, 0263-8231.

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来源：增材制造硕博联盟