SLM制备的Ti6Al4V轻质点阵结构多目标结构优化设计研究

摘要

随着选择性激光熔融（SLM）技术日渐成熟和商业化，点阵材料中的体心立方（BCC）点阵结构及其增强单元由于具有拓扑类型简单及各向同性等特点，且能较好地适应SLM成型工艺，受到广泛关注。但是体心立方点阵结构及其增强单元不能在轻质和高强性能上兼顾，因此，本文基于选择性激光熔融技术，以钛合金（Ti6Al4V）为原材料，建立体心四方（BCT）点阵结构一般模型，从理论、有限元仿真和实验对点阵结构进行多目标优化研究，以探寻兼具轻质与高强性能的点阵构型。
　　首先，解除 BCC点阵单胞各向尺寸相同的约束，建立 BCT点阵结构一般模型，进行静力学分析。推导BCT点阵在均布载荷下的力学响应，通过求解刚度矩阵和能量分析得到点阵结构力与位移的映射关系。
　　其次，以BCT单胞构型尺寸为设计变量，以相对密度、初始刚度、塑性破坏强度为多目标评价函数，以点阵材料尺寸与成型工艺为约束条件，建立BCT点阵结构构型尺寸的多目标优化数学模型，采用理想点法求解得到BCT点阵单胞综合最优构型尺寸。
　　然后，将优化得到的 BCT点阵和 BCC参照结构进行理论和有限元仿真。采用Ti6Al4V材料通过SLM方法制备BCT与BCC参照结构的实验样件，并进行准静态单向压缩性能实验。将理论仿真、有限元模拟和实验结果进行对比分析，验证理论分析结果的正确性。实例对比分析表明：BCT优化结构与BCC参照结构相比，相对密度仅增加3.7％，但其弹性模量和屈服极限增加121.5％和77.3％，力学性能提升显著。
　　最后，以 BCC和优化得到的 BCT点阵结构构建夹芯板，通过有限元仿真模拟点阵结构受到钢球动态冲击过程，对比分析点阵结构对钢球冲击的响应与破坏失效机制，进一步验证优化设计结构的可靠性，为轻质点阵结构材料的设计与实际工程应用提供了理论参考。

目录

1 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究进展

1.3本文研究内容

2 BCT点阵结构静力学分析

2.1 BCT点阵结构模型与参数

2.2 BCT的刚度矩阵

2.3 BCT单胞的能量分析

2.4 BCT单胞的初始刚度

2.5 BCT单胞的塑性破坏强度

2.6 本章小结

3 BCT点阵结构多目标结构优化

3.1 设计变量

3.2 目标函数

3.3 约束条件

3.4 构建数学模型

3.5 多目标决策法

3.6 BCT优化模型求解

3.7 本章小结

4 仿真与实验

4.1理论仿真

4.2有限元仿真

4.3实验

4.4 结果对比与分析

4.5 本章小结

5 点阵结构的侵彻模拟分析

5.1 瞬态动力学分析准备

5.2 有限元模拟过程

5.3 结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献