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金屬仿生互鎖結(jié)構(gòu)：幾何設(shè)計和斷裂性能分析

閱讀：1567 發(fā)布時間：2024-4-15

通過對界面的合理幾何設(shè)計，縫合結(jié)構(gòu)可具有遠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，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)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(shù)值模擬，研究互鎖界面的幾何參數(shù)對互鎖結(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。互鎖幾何參數(shù)間遵循圖2的設(shè)計關(guān)系。

圖3表明，隨著互鎖角度的減小，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實驗數(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。控制互鎖角度和齒高不變，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。控制互鎖角度和齒寬不變，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，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粒X高和齒寬在一定范圍時能顯著提高結(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)計關(guān)系

圖3 CT試樣力-位移曲線的實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖4 CT試樣斷裂情況的實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖5 CT試樣斷裂時應(yīng)變的DIC結(jié)果

圖6 不同齒寬對互鎖結(jié)構(gòu)斷裂性能的影響

圖7 不同齒高對互鎖結(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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