徐榕蔚，張振杰，劉清原,2，張光輝，龍芋宏

(1.桂林電子科技大學(xué)，桂林， 541004；2.華中科技大學(xué)，武漢， 430074)

0 序言

多孔結(jié)構(gòu)在自然界廣泛存在，例如蜂窩、植物的桿莖、動(dòng)物的骨骼等，人們發(fā)現(xiàn)其具有傳統(tǒng)密實(shí)結(jié)構(gòu)不具備的特點(diǎn)與性能.多孔結(jié)構(gòu)不僅具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高比剛度、高吸能等性能，還具有抗震吸能、散熱透氣、降噪屏蔽等特性，是兼具功能與結(jié)構(gòu)的工程材料[1-3].尤其是有序分布的多孔結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)性良好、性能便于調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今全球工業(yè)飛速發(fā)展的背景下，應(yīng)用潛力巨大[4-5].

傳統(tǒng)加工工藝制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸細(xì)小的多孔結(jié)構(gòu)非常困難，使得多孔結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)未能完全發(fā)揮.隨著增材制造技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，擺脫傳統(tǒng)工藝刀具、夾具的束縛，使得多孔結(jié)構(gòu)的制造能力顯著提高，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛.選區(qū)激光熔化技術(shù)是以金屬粉末為材料的3D 打印技術(shù)，通過(guò)控制激光束選區(qū)熔融粉末顆粒層層疊加成形零件.近年來(lái)，使用選區(qū)激光熔化技術(shù)成形各種復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)成為研究熱點(diǎn)[6-7].

Xiao 等人[8]采用SLM 成形面心立方、體心立方、棱心立方3 種不同構(gòu)型的輕量化多孔結(jié)構(gòu)并建立Gibson-Ashby 模型來(lái)預(yù)測(cè)力學(xué)性能，通過(guò)壓縮試驗(yàn)證明多孔結(jié)構(gòu)棱心立方的力學(xué)性能不如體心立方和面心立方，但它的屈服平臺(tái)更長(zhǎng)，能量吸收率更優(yōu).鄭權(quán)等人[9]通過(guò)SLM 工藝制備金字塔多孔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)成型工藝的限制，桿件“背面”質(zhì)量較差，理想化假設(shè)導(dǎo)致理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，而仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，故仿真分析可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的壓縮行為.曾壽金等人[10]制備體心立方、正十二面體兩種多孔結(jié)構(gòu)，分析了比表面積、孔隙率、平均孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)多孔結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能解除人體對(duì)多孔植入體的“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，提高生物相容性.Shi 等人[11]采用SLM 制備了不同孔徑和孔分布角度的橢圓開(kāi)孔多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)機(jī)械壓縮模擬和機(jī)械壓縮試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)果表明孔徑大小和孔分布的角度對(duì)橢圓開(kāi)孔多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有很大的影響，可通過(guò)調(diào)節(jié)孔徑和孔分布角度使橢圓多孔支架與人的松質(zhì)骨力學(xué)性能相匹配.Hasan[12]采用SLM 成型鈦合金體心立方多孔結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓縮過(guò)程中體心立方結(jié)構(gòu)在45°對(duì)角面處發(fā)生應(yīng)力集中，單胞桁架從靠近節(jié)點(diǎn)處由彎曲導(dǎo)致破壞失效.Huo 等人[13]采用SLM 技術(shù)加工金剛石和體心立方2 種多孔結(jié)構(gòu)，并研究其在壓縮試驗(yàn)下的失效機(jī)制，發(fā)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈周期性先增大后減小的趨勢(shì)，變形沿斜面45°剪切帶向兩側(cè)對(duì)稱擴(kuò)散.

眾多學(xué)者驗(yàn)證了選區(qū)激光熔化成型多孔結(jié)構(gòu)的可行性并通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的SLM 制造誤差與壓縮失效過(guò)程的研究相對(duì)較少，需要進(jìn)行更深入、更全面的研究.研究以桿狀—鉆石型晶格結(jié)構(gòu)和曲面—六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)兩種多孔結(jié)構(gòu)為模型，觀測(cè)SLM 制造誤差分析多孔件力學(xué)性能理論與試驗(yàn)出現(xiàn)偏差的原因，結(jié)合理論預(yù)測(cè)與試驗(yàn)測(cè)試探究多孔結(jié)構(gòu)在壓縮過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律與破壞失效機(jī)制.對(duì)多孔結(jié)構(gòu)理論計(jì)算-試驗(yàn)偏差機(jī)理以及多孔結(jié)構(gòu)壓縮變形失效機(jī)制研究的相關(guān)方法與結(jié)論，可應(yīng)用于輕量化工程和生物力學(xué)工程中多孔結(jié)構(gòu)的SLM 設(shè)計(jì)與制造過(guò)程.

1 試驗(yàn)方法

1.1 模型設(shè)計(jì)

利用solidworks 建模軟件建立以鉆石型晶格結(jié)構(gòu)和六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)2 種多孔胞元模型，單胞尺寸為3 mm × 3 mm × 3 mm，如圖1 所示.分別將單胞結(jié)構(gòu)往XYZ 方向進(jìn)行5 × 5 × 5 的陣列，試樣模型的總體尺寸為15 mm × 15 mm × 15 mm.

圖1 多孔胞元模型Fig.1 Porous cell model.(a) diamond lattice; (b) spherical six-hole opening structure

孔隙率是表征多孔結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，指多孔結(jié)構(gòu)中無(wú)材料部分所占體積與多孔結(jié)構(gòu)總體積的比率，常通過(guò)調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率來(lái)調(diào)節(jié)力學(xué)性能、輕量化效果.文中將通過(guò)調(diào)整鉆石型晶格結(jié)構(gòu)的桿徑和六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)的壁厚來(lái)調(diào)節(jié)孔隙率，如表1 所示.

表1 多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of porous structure

1.2 有限元模型的建立

在進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)前，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)建立的多孔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行理論預(yù)測(cè).整個(gè)仿真過(guò)程在ANSYS 軟件中進(jìn)行，邊界條件設(shè)置如圖2 所示.在多孔結(jié)構(gòu)的上、下端分別添加一塊剛性體，保證多孔結(jié)構(gòu)在壓縮過(guò)程中上下端面平齊，起到均勻加載的作用.下端剛性體的底面完全固定，上端剛性體以2 mm/min 的速度往下壓，整個(gè)模擬過(guò)程可看作靜態(tài)壓縮過(guò)程，與后續(xù)試驗(yàn)中使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能高溫試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮條件相一致.將多孔結(jié)構(gòu)劃分為四面體單元，網(wǎng)格單元尺寸為0.2 mm.結(jié)構(gòu)使用的材料參數(shù)為同一工藝參數(shù)下成形的316L 不銹鋼性能參數(shù)，密度為7 954 kg/m3，在模型中設(shè)置材料為各向同性，彈性模量為171 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為451 MPa.以不同孔隙率鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)為例建立有限元模型.

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model

1.3 多孔試樣的制備

將建立的鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形兩種多孔結(jié)構(gòu)模型保存為STL 格式，導(dǎo)入模型處理軟件中進(jìn)行模型位置的擺放和三角面片的檢查與修復(fù)，同時(shí)在多孔結(jié)構(gòu)底部加入少量支撐，為后面線切割取件保留一定的切割余量，保證得到的多孔結(jié)構(gòu)完整而不被破壞，最后將模型切片導(dǎo)入成形設(shè)備.

試驗(yàn)使用顆粒尺寸為15～53 μm 的316L 不銹鋼球形金屬粉末.使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察粉末微觀形貌如圖3 所示，其化學(xué)成分見(jiàn)表2.在粉末放入粉末艙前，將316L 粉末放入真空干燥箱進(jìn)行4 h，200 ℃的烘干，保證粉末不含水分[14].

圖3 316L 粉末形貌Fig.3 Morphology of 316L powder

表2 316L 粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of 316L powder

成形設(shè)備使用的是廣州雷佳增材科技有限公司的多功能金屬材料激光選區(qū)熔化快速成形機(jī)DiMetal-100.成形過(guò)程在純度為99.9% 的氬氣保護(hù)下完成，選用成形工藝參數(shù)為：激光功率180 W，掃描速度1 000 mm/s，掃描間距60 μm，鋪粉層厚30 μm.在快速成形之后，進(jìn)行吹氣除去孔隙內(nèi)的金屬粉末，然后用線切割將成形件取下，以保證底面的平面度[15-16]，成形的兩種多孔結(jié)構(gòu)如圖4 所示.

圖4 SLM 成形的多孔結(jié)構(gòu)Fig.4 Porous structure formed by SLM

1.4 成形效果

從圖4 看出，選區(qū)激光熔化成形的多孔結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯裂紋、變形和坍塌等宏觀缺陷，孔隙無(wú)堵塞現(xiàn)象，成形效果較好.為了進(jìn)一步觀察加工效果，以鉆石型晶格多孔結(jié)構(gòu)為例，采用奧林巴斯公司的激光顯微鏡OLYMPUS OLS4100 觀察試樣.將測(cè)量的鉆石型晶格多孔試樣的實(shí)際桿徑與設(shè)計(jì)桿徑對(duì)比，如表3 所示.

試樣形貌如圖5 所示.從圖5 可以看出，選區(qū)激光熔化成形的多孔試樣表面質(zhì)量相對(duì)較差，這是由于粉末粘附熔池造成的.而且因結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙的存在，多孔試樣包含著較多的懸垂結(jié)構(gòu).傾斜的角度越大，懸垂伸出越長(zhǎng)，試樣的表面質(zhì)量也就越差.測(cè)量鉆石型晶格多孔試樣的桿徑可以發(fā)現(xiàn)，SLM 成形的多孔試樣的零件尺寸比設(shè)計(jì)模型的零件尺寸略大，這是由于SLM 工藝存在的局限性.激光束在掃描過(guò)程中形成一道道熔池，由于傳熱影響，熔池尺寸往往大于光斑直徑.輸入的激光能量密度越大，形成的熔池也就越寬.再加上熔池周邊粉末的粘附，使得工件尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸.由表3 可以發(fā)現(xiàn)，孔隙率在50%～80%時(shí)，制造誤差0.041～0.073 mm，相對(duì)誤差3.24%～10.16%，孔隙率越高，制造誤差、相對(duì)誤差越大.故孔隙率對(duì)多孔結(jié)構(gòu)SLM 成形效果會(huì)有一定影響.

圖5 不同孔隙率鉆石型晶格多孔件表面形貌Fig.5 Surface morphology of diamond lattice porous parts with different porosity.(a) porosity 50%; (b)porosity 60%; (c) porosity 70%; (d) porosity 80%

表3 鉆石型晶格多孔試樣實(shí)測(cè)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison between measured parameters and design parameters of diamond lattice porous sample

1.5 壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)使用的是微機(jī)控制電子萬(wàn)能高溫試驗(yàn)機(jī)WDW-100GD，能施加的最大壓力為100 kN.在常溫下對(duì)50%～80%孔隙率的鉆石型晶格、六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn).為保證受力均勻，試樣的上下表面平齊且位于夾具中心被壓頭完全覆蓋.壓縮速度為2 mm/min，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束輸出載荷-位移文本數(shù)據(jù).施加的載荷除以試樣橫截面積得到應(yīng)力數(shù)據(jù)，位移除以試樣高度得到應(yīng)變數(shù)據(jù)，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Origin 軟件繪圖得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖6，圖7 所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

對(duì)比圖6、圖7 可知，多孔結(jié)構(gòu)理論預(yù)測(cè)和試驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律基本一致.但其中彈性模量和屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)值高于預(yù)測(cè)值，并且孔隙率越大，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值間的差值越大.原因主要在于理論預(yù)測(cè)建立的多孔模型是理想化的模型，但是實(shí)際成形多孔試樣存在制造誤差.在小節(jié)1.4 已經(jīng)探討過(guò)選區(qū)激光熔化技術(shù)帶來(lái)的尺寸偏差影響，實(shí)際成形多孔試樣的零件尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸，而且隨著孔隙率的升高，零件尺寸相對(duì)誤差越大.這導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)試的力學(xué)性能高于預(yù)測(cè)值，并且隨著孔隙率增大，差值增大.

從圖6 和圖7 的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢(shì)可以看出，鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)的壓縮變形經(jīng)歷了三個(gè)階段：線彈性階段、屈服平臺(tái)階段、密實(shí)化階段.

圖6 50% ～80%孔隙率鉆石型晶格結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及模擬的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.6 Experimental and simulated stress-strain curves of diamond lattice structure with 50%～80%porosity.(a) porosity 50%; (b) porosity 60%; (c)porosity 70%; (d) porosity 80%

圖7 50% ～80%孔隙率六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及模擬的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.7 Experimental and simulated stress-strain curves of spherical porous structures with six-hole openings with 50% ～80% porosity.(a) porosity 50%; (b) porosity 60%; (c) porosity 70%; (d)porosity 80%

線彈性階段：此階段為多孔結(jié)構(gòu)壓縮變形過(guò)程中的第一個(gè)階段，在這個(gè)階段多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，內(nèi)部的應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，故應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為一段直線.在此階段去除施加載荷，多孔試樣可恢復(fù)到初始狀態(tài).

屈服平臺(tái)階段：壓縮繼續(xù)進(jìn)行，多孔結(jié)構(gòu)由原來(lái)的彈性變形開(kāi)始變?yōu)閺椝苄宰冃危脚_(tái)形成.屈服平臺(tái)階段是多孔結(jié)構(gòu)由內(nèi)部開(kāi)始發(fā)生塑性變形到整體坍塌的階段，它代表著多孔結(jié)構(gòu)的能量吸收特性.因?yàn)樵谶@個(gè)階段隨著壓縮的進(jìn)行，應(yīng)變的不斷增加，應(yīng)力變化卻非常緩慢，外界輸入的能量被多孔結(jié)構(gòu)的屈服破壞吸收了，起到緩沖吸能的作用.故多孔結(jié)構(gòu)常被用于航空航天和汽車(chē)等領(lǐng)域.

密實(shí)化階段：當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)完全坍塌后繼續(xù)壓縮，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)相互擠壓到一起形成密實(shí)的塊體.在此階段應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加增長(zhǎng)的非常迅速.

從兩種多孔結(jié)構(gòu)的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，線彈性階段的變形范圍非常短，隨著下壓迅速進(jìn)入到屈服平臺(tái)階段.同一種多孔結(jié)構(gòu)對(duì)比不同孔隙率的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以知道，隨著孔隙率增大，屈服強(qiáng)度下降，但屈服平臺(tái)更長(zhǎng)更明顯，所以高孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)比低孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)吸能特性更好.對(duì)比同一孔隙率下的鉆石型晶格結(jié)構(gòu)和六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)的屈服平臺(tái)比鉆石型晶格結(jié)構(gòu)的更長(zhǎng)、屈服平臺(tái)下應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域面積更大，故六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)的吸能特性更優(yōu)越.

2.2 孔隙率對(duì)多孔結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度和彈性模量的影響

屈服強(qiáng)度反映結(jié)構(gòu)的承載性能，而彈性模量則表征結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，它們都是結(jié)構(gòu)重要的性能參數(shù)，代表了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.通過(guò)壓縮試驗(yàn)下50%～80%孔隙率的鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線分析，可得到2 種多孔結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度、彈性模量隨著孔隙率的變化規(guī)律，如圖8 所示.

圖8 孔隙率對(duì)多孔結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響Fig.8 Effect of porosity on mechanical properties of porous structures.(a) change trend of yield strength-porosity; (b) change trend of modulus of elasticity-porosity

孔隙率的增大意味著多孔結(jié)構(gòu)中實(shí)體材料的占比減少，能起到的承載作用降低，多孔結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度、彈性模量下降，但不同多孔結(jié)構(gòu)的下降變化趨勢(shì)明顯不同.如圖8 所示鉆石型晶格結(jié)構(gòu)和六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)在孔隙率50%～80%時(shí)的力學(xué)性能變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)鉆石型晶格結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度近似線性下降，變化范圍在31.85～182.13 MPa，而彈性模量在低孔隙率時(shí)變化趨勢(shì)較為平緩，但當(dāng)孔隙率增大到70%以后，彈性模量急速下降，變化范圍在1.45～2.30 GPa；六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)在孔隙率50%～80%時(shí)，屈服強(qiáng)度變化范圍為35.19～130.64 MPa，彈性模量變化范圍為1.59～2.90 GPa，在低孔隙率時(shí)屈服強(qiáng)度和彈性模量的變化趨勢(shì)近似線性下降，但當(dāng)孔隙率增大到70%以后，變化趨勢(shì)發(fā)生突變，下降開(kāi)始平緩.可得出結(jié)論，多孔結(jié)構(gòu)胞元類(lèi)型不同、孔隙率不同，多孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，因此，多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選用可以根據(jù)零部件的具體應(yīng)用針對(duì)性展開(kāi).

2.3 壓縮失效過(guò)程

孔隙率越高，則屈服平臺(tái)階段越長(zhǎng)，壓縮條件下多孔結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程也更加明顯，所以研究以孔隙率為80%的鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形多孔試樣為例，觀察在壓縮條件下整體變形過(guò)程.由于316L 材料本身塑性較強(qiáng)，故多孔結(jié)構(gòu)試樣在壓縮過(guò)程中并無(wú)斷裂現(xiàn)象發(fā)生，發(fā)生彈塑性失效.

從圖9 的整體變形過(guò)程可以明顯看到，鉆石型晶格結(jié)構(gòu)在壓縮變形過(guò)程中表現(xiàn)出高度的均勻性，各胞元在壓縮下發(fā)生塑性變形，集體發(fā)生坍塌，并無(wú)局部失效現(xiàn)象出現(xiàn).但開(kāi)孔球形結(jié)構(gòu)在壓縮條件下，底層的胞元先發(fā)生塑性變形到坍塌，隨著壓縮進(jìn)行，失效變形由底層逐層向上傳播，逐層發(fā)生坍塌，直到多孔結(jié)構(gòu)完全密實(shí)化.整個(gè)壓縮過(guò)程開(kāi)孔球形多孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非常明顯的局部失效變形.

圖9 多孔結(jié)構(gòu)壓縮變形過(guò)程Fig.9 Compression deformation process of porous structure.(a) diamond lattice with 80% porosity; (b) spherical sixhole opening structure with 80% porosity

兩種多孔結(jié)構(gòu)完全不同的變形過(guò)程，這主要是由于承載性能的差異引起的，開(kāi)孔球形結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更優(yōu)的緩沖吸能的能力.當(dāng)應(yīng)力波傳遞到多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，吸能特性較差的鉆石型晶格結(jié)構(gòu)通過(guò)整體發(fā)生變形來(lái)抵抗，表現(xiàn)為均勻化變形；而緩沖吸能特性更優(yōu)的開(kāi)孔球形結(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)力波傳遞到多孔結(jié)構(gòu)底層時(shí)，中上層的胞元還在保持彈性變形，故底層的胞元分擔(dān)了中上層所受的載荷而更易坍塌，呈現(xiàn)出坍塌帶由底層逐層向上傳播的現(xiàn)象[9].

2.4 失效分析

為了進(jìn)一步觀察鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)在壓縮條件下各階段的變形情況和應(yīng)力分布，利用ANSYS 的截面屬性剖開(kāi)多孔結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部進(jìn)行觀察，結(jié)合試驗(yàn)更清晰地了解兩種多孔結(jié)構(gòu)的失效機(jī)制，如圖10 所示.

圖10 壓縮仿真(左)和試驗(yàn)(右)各階段變形Fig.10 Deformation at different stages of compression simulation (left) and experiment (right).(a) diamond lattice;(b) spherical six-hole opening structure

鉆石型晶格結(jié)構(gòu)在最初的線彈性階段應(yīng)力主要集中在桿件與桿件連接的節(jié)點(diǎn)處.隨著壓縮進(jìn)行，應(yīng)力逐漸增大，在胞元各節(jié)點(diǎn)處首先進(jìn)入塑性形成塑性鉸，屈服平臺(tái)階段開(kāi)始.在屈服平臺(tái)階段，塑性變形從節(jié)點(diǎn)逐步向桿件中心延伸，鉆石型晶格胞元由局部塑性到完全發(fā)生塑性變形.當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)完全發(fā)生塑性變形以后繼續(xù)壓縮，桿件就會(huì)相互擠壓到一起，密實(shí)化成為一個(gè)316L 塊體.

六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)因?yàn)榍娴拇嬖谑芰Ρ容^均勻，在胞元受到壓縮時(shí)，將承受的載荷沿著曲面分散到結(jié)構(gòu)中，胞元整體不易發(fā)生結(jié)構(gòu)突變和應(yīng)力集中，所以線彈性階段最大應(yīng)力發(fā)生在胞元層和胞元層之間的連接處.但當(dāng)壓縮繼續(xù)進(jìn)行，應(yīng)力逐漸增大，由于球形曲面中開(kāi)孔的存在，結(jié)構(gòu)的突變導(dǎo)致應(yīng)力集中在胞元中部的孔口處，故在胞元中部首先發(fā)生塑性變形，然后由胞元中部向兩端擴(kuò)散，最后整個(gè)胞元完全發(fā)生塑性失效.

3 結(jié)論

(1)由于選區(qū)激光熔化技術(shù)的限制，成形多孔試樣的零件尺寸比設(shè)計(jì)模型的零件尺寸略大，且隨著多孔試樣孔隙率的增大，零件尺寸成形相對(duì)誤差越大.

(2)鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)理論預(yù)測(cè)和試驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律基本一致，但彈性模量和屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)值高于預(yù)測(cè)值，并且孔隙率越大，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值間的差值越大，這主要是由SLM 工藝限制帶來(lái)制造誤差的影響.

(3)高孔隙率多孔結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出比低孔隙率多孔結(jié)構(gòu)更優(yōu)的吸能特性.在同一孔隙率下，六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)的吸能特性優(yōu)于鉆石型晶格結(jié)構(gòu).隨著孔隙率增大，鉆石型晶格結(jié)構(gòu)和六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度、彈性模量呈現(xiàn)不同的下降趨勢(shì).因此，多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選用可以根據(jù)零部件的具體應(yīng)用針對(duì)性展開(kāi).

(4)在壓縮條件下鉆石型晶格和六孔開(kāi)口球形多孔結(jié)構(gòu)的整體變形過(guò)程不同，鉆石型晶格結(jié)構(gòu)壓縮變形均勻，而六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)從底層先開(kāi)始坍塌，坍塌帶逐層向上蔓延.兩種多孔結(jié)構(gòu)不同的變形過(guò)程主要是因?yàn)樗鼈兙彌_吸能特性的差異導(dǎo)致的.

(5)利用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真模擬并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)壓縮條件下胞元結(jié)構(gòu)的失效方式進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鉆石型晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在桿件相交的節(jié)點(diǎn)，而六孔開(kāi)口球形結(jié)構(gòu)剛開(kāi)始因受力比較均勻，最大應(yīng)力發(fā)生在胞元層連接處，但隨著壓縮量增大，應(yīng)力集中在胞元中部的孔口處.