面向增材制造零件的多尺度力学性能研究与预测

摘要

增材制造零件机械性能的提升、制造工艺的优化是增材制造产业发展的内在需求，建立面向增材制造技术的力学性能的分析方法是增材制造技术发展的关键。本文基于熔融沉积成型技术，立足微观尺度、细观尺度以及宏观尺度，研究各尺度下影响零件力学性能的关键因素。建立工艺参数与微观组织、细观结构、力学性能之间的函数关系，探究FDM零件的力学本构模型，预测各工艺参数下零件的力学性能。建立正交实验方案，获得最优参数组合，提升零件的力学性能。具体研究内容如下： (1)微观尺度下温度与零件力学性能的关系研究。不同的喷头温度造成材料微观组织的不同，进而使其宏观尺度的力学属性也不相同。通过研究温度对材料微观组织的影响，建立温度-微观组织-力学性能的映射关系，分析温度对材料力学性能的影响规律；建立单因素实验方案，获得较优的喷头温度，提升FDM零件的力学性能。 (2)细观尺度下填充密度与力学性能的关系研究。FDM零件具有复杂的细观结构，不同的结构具有不同的力学性能。通过建立填充密度-细观结构-力学响应的映射模型，研究填充密度对力学性能的影响；基于均匀化理论，研究材料在各方向上的力学平均响应，进一步建立等效单元的力学性能预测模型；建立三组单因素实验方案，验证力学模型的正确性，获得各填充密度下等效单元的力学性能。 (3)宏观尺度下多层FDM零件的力学性能的预测研究。针对FDM零件的力学性能在其厚度方向上具有呈层性的特征，基于细观结构-力学响应模型与经典层合理论，研究单层等效单元的应力-应变关系。分析层间拉伸、弯曲耦合作用对力学性能的影响，建立多层FDM零件等效单元力学性能的预测模型；获得多层FDM零件等效单元的刚度矩阵，研究弹性模量与刚度矩阵的关系，表征等效单元的力学性能；建立三因素混合水平实验方案，分析各因素水平对力学性能的影响，验证理论模型的正确性与适用性。 (4)工艺参数组合与零件力学性能的关系研究。完成极差分析，获得显著影响力学性能的填充密度、填充角度等关键工艺参数。基于理论预测模型，获得各角度、各密度等效单元的弹性模量，分析填充角度、填充密度对力学性能的影响规律。选取较优工艺参数组合，满足FDM零件的功能要求。

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