薄壁結構具有優(yōu)良力學性能和輕量化特點，因其穩(wěn)定的坍塌塑性行為而具有優(yōu)良的能量吸收能力，因此在汽車、航空航天等行業(yè)中有著越來越廣泛的應用。除了進行結構設計外，幾年來，越來越多的研究學者還將新材料引入吸能結構以提高其耐撞性能和輕量化水平。

     復合材料在破壞過程中會產(chǎn)生基體脆性裂紋、纖維斷裂、分層和纖維-基體脫粘等現(xiàn)象，并從中吸收大量能量。因此，將復合材料制成的薄壁結構用作吸能器具有很高的應用潛力。

        由于傳統(tǒng)復合材料制造技術受其工藝限制，難以制造復雜截面結構。而3D打印技術因其對復雜結構的可定制性和快速制造性而受到越來越多的關注。中南大學與法國斯特拉斯堡大學的研究團隊開展了3D打印復合材料薄壁結構研究，在相關論文中深入探討了準靜態(tài)壓縮和低速沖擊條件下的破碎行為和機理，分析了動力加載對力響應和能量吸收的影響。

本期谷.專欄將分享以上團隊取得的研究結果。

論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.108810

 圖文解析

研究團隊采用熔融沉積成型3D打印技術，用聚酰胺和纖維增強聚酰胺基復合材料制備了不同截面形狀的薄壁結構，如圖1所示。

圖1 (a) 熔融沉積成型3D打印原理圖; (b)不同結構和材料的3D打印薄壁結構：聚酰胺(PA)、短碳纖維增強聚酰胺(PACF)、短玻璃纖維增強聚酰胺(PAGF); (c)薄壁結構截面形狀。

為了研究薄壁復合材料結構在低應變率下的壓潰行為，在室溫(20℃)下以10 mm/min的恒定速度進行準靜態(tài)壓縮試驗。在壓縮過程中，薄壁結構在初始塑性變形后逐漸倒塌，呈現(xiàn)出漸進模式和歐拉屈曲模式的兩種壓潰行為，如圖2所示。

圖2 3D打印薄壁結構的準靜態(tài)壓縮過程: (a)-(d) PA; (e)-(h) PAGF; (i)-(l) PACF。

其中三角形結構在壓縮開始時失穩(wěn)，出現(xiàn)整體屈曲。而PACF六邊形結構以穩(wěn)定、規(guī)則的折疊方式產(chǎn)生了波長最短的塑料鉸鏈，吸能性能優(yōu)于其他結構，如圖3所示。

圖3 3D打印薄壁結構的耐撞性能指標: (a) 平均破碎力; (b) 比吸能。

為進一步研究薄壁結構的沖擊響應，采用落錘試驗機進行了初速度為10m/s的低速沖擊試驗。結果表明，所有的結構均經(jīng)歷了從裂紋到斷裂的漸進破壞模式，并最終被沖擊成碎片，如圖4所示。

圖4 3D打印薄壁結構的動態(tài)沖擊過程: (a)-(d) PA; (e)-(h) PAGF; (i)-(l) PACF。

研究團隊通過對水平和縱向斷裂面進行了掃描電鏡研究，發(fā)現(xiàn)在縱向斷裂面中有纖維從基體中拔出，而水平斷裂面中的纖維被基體較好地包裹（圖5），其機理如圖6所示。

圖5 (a) PAGF與(b) PACF六邊形結構的掃描電鏡分析

圖6 動態(tài)沖擊過程中產(chǎn)生的斷裂機制: (a)縱向斷裂面; (b)水平斷裂面。

最后，研究團隊研究了動態(tài)加載對復合材料薄壁結構的影響。由于材料的應變率效應和結構的慣性效應，薄壁結構在準靜態(tài)壓縮條件下表現(xiàn)為塑性漸進破壞模式，而在動態(tài)沖擊條件下結構表現(xiàn)為脆性斷裂漸進破壞模式，如圖7所示。

圖7 3D打印薄壁結構在準靜態(tài)壓縮和動態(tài)沖擊條件下的力學響應和倒塌模式比較。

結構剛度和峰值破碎力由于動載效應的影響顯著增加。而由于在塑性變形和斷裂階段結構斷裂，動態(tài)沖擊條件下的壓碎力低于準靜態(tài)壓縮試驗，這導致了能量吸收的降低，如圖8所示。碳纖維增強復合材料六邊形結構在準靜態(tài)和動態(tài)加載條件下都能表現(xiàn)出較高的比吸能。

圖8 3D打印薄壁結構在準靜態(tài)壓縮和動態(tài)沖擊條件下的耐撞性能指標比較: (a)(d)(g) 結構剛度; (b)(e)(h) 峰值破碎力; (c)(f)(i)比吸能。

 小結

      論文通過熔融沉積成型3D打印技術制備了復合材料薄壁結構，研究了其在準靜態(tài)壓縮和動態(tài)沖擊條件下的破碎行為和機理。結果表明截面構型對結構的倒塌模式有顯著影響。在準靜態(tài)壓縮條件下，四邊形、六邊形和圓形結構呈現(xiàn)漸進變形模式，而三角形結構呈現(xiàn)歐拉屈曲模式。準靜態(tài)壓縮下的塑性變形主要包括水平彎曲變形和膜變形。在動態(tài)沖擊條件下，薄壁結構的倒塌模式由塑性變形模式轉變?yōu)榇嘈詳嗔涯Ｊ健Ｓ捎趶秃喜牧系膽�變率效應，結構剛度、峰值壓潰力等力學性能提高而結構吸能性能下降。其中碳纖維增強聚酰胺材料的六邊形結構在準靜態(tài)壓縮和動態(tài)沖擊條件下均表現(xiàn)出最高的比吸能，在多條件加載下表現(xiàn)出最佳的吸能潛力。

(責任編輯：admin)

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