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金屬仿生互鎖結(jié)構(gòu)：幾何設(shè)計(jì)和斷裂性能分析

閱讀：1712 發(fā)布時(shí)間：2024-4-15
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通過對(duì)界面的合理幾何設(shè)計(jì),，縫合結(jié)構(gòu)可具有遠(yuǎn)超組分材料的斷裂性能。現(xiàn)有研究表明,，具有互鎖界面的縫合結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性,。AlSi₁₀Mg具有良好的導(dǎo)熱性,、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,。來自北京理工大學(xué)的廖海濤團(tuán)隊(duì)開展AlSi₁₀Mg緊湊拉伸試樣的斷裂實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,，研究互鎖界面的幾何參數(shù)對(duì)互鎖結(jié)構(gòu)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(shù)的緊湊拉伸試樣（圖1）,，并對(duì)互鎖界面進(jìn)行拋光處理和幾何拼接,，以減小表面粗糙度對(duì)斷裂性能的影響?；ユi幾何參數(shù)間遵循圖2的設(shè)計(jì)關(guān)系,。
圖3表明，隨著互鎖角度的減小,，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)果顯示,，隨著互鎖角度減小,，結(jié)構(gòu)在互鎖齒根部產(chǎn)生較大應(yīng)變，并向內(nèi)部擴(kuò)展（圖5）,。在此過程中,，互鎖齒產(chǎn)生損傷，消耗了更多的能量,，提高了結(jié)構(gòu)的斷裂強(qiáng)度,。
本文采用裂尖張開位移來表征互鎖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)越易發(fā)生斷裂（圖6）,，而互鎖齒寬度越大，齒數(shù)明顯減少,，界面處的相互作用減弱,，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的互鎖程度越大,，界面處的相互作用增強(qiáng),，但互鎖齒根部承載能力無法匹配結(jié)構(gòu)的承載能力，從而無法顯著提升結(jié)構(gòu)的斷裂性能（圖7）,。
本文研究了互鎖結(jié)構(gòu)的互鎖角度,、齒高,、齒寬對(duì)結(jié)構(gòu)斷裂性能的影響，結(jié)果表明,，隨著互鎖角度的減小，互鎖結(jié)構(gòu)的失效形式從互鎖齒的斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑嫣幍哪Σ?，齒高和齒寬在一定范圍時(shí)能顯著提高結(jié)構(gòu)的斷裂性能,。后續(xù)可將本文所研究的反梯形互鎖結(jié)構(gòu)擴(kuò)展至梯形、三角形等互鎖結(jié)構(gòu),。
圖1 含互鎖界面縫合結(jié)構(gòu)的緊湊拉伸試樣

圖2 互鎖幾何參數(shù)間的設(shè)計(jì)關(guān)系

圖3 CT試樣力-位移曲線的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比
圖4 CT試樣斷裂情況的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

圖5 CT試樣斷裂時(shí)應(yīng)變的DIC結(jié)果

圖6 不同齒寬對(duì)互鎖結(jié)構(gòu)斷裂性能的影響

圖7 不同齒高對(duì)互鎖結(jié)構(gòu)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(fā)表于Composite Structures。

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金屬仿生互鎖結(jié)構(gòu)：幾何設(shè)計(jì)和斷裂性能分析

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