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3D打印塑料蜂窝夹层结构的力学性能

摘要

本文研究中，利用 3D 打印技术设计制备了双网格、三网格、四网格和Kagome-Grid蜂窝结构的合成物，通过将芯和复合面板粘接在一起制备了夹层复合材料，并且采用有限元分析和三点弯曲试验测试了夹层结构的力学性能。结果表明，在承受弯曲载荷时，应力集中区域位于上面板（压头两侧）的加载区和下面板的支承区，蜂窝芯的应力集中区域位于压头与支承之间的区域。双网格夹层结构的破坏机制为复合面板与双网格芯层的界面脱粘，三网格、四网格和Kagome-Grid 的破坏模式为芯层剪切。四面网格夹层结构的力学性能优于其他三种结构。

关键词：复合材料、夹层结构、3D 打印、有限元分析

1．介绍

晶格核芯夹层结构具有重量轻，刚度、强度、重量比高等优点。它们在航空航天、交通运输、民用、军事等领域具有广泛的应用前景^1，2。许多研究都试图开发出具有足够刚度和强度的轻质结构，它们揭示了夹层核的不同几何形状导致了不同的破坏机制^3-5。Xiong等人分析了锥形桁架芯碳纤维复合材料夹层结构的失效模式，并研究了其力学性能⁶。研究结果表明，受弯板的破坏机理包括面板的压碎、褶皱、核心部件的屈曲和核心部件的压碎。根据文献的研究结果可知，网格结构的几何优化是设计一种比弯曲为主的点阵材料刚度高得多、强度高的拉伸为主的结构。Han和Tsai介绍了由拉挤玻璃纤维筋制成的互锁复合网架结构⁹。使用单向复合筋，可以将所有纤维沿肋方向对齐，使材料的刚度和强度得到有效利用。

熊等人分析了不同的失效模式，研究碳纤维复合材料夹层结构的力学性能与锥体桁架核芯。结果表明，板的失效机制包括面板破碎、表皮起皱，核心成员屈曲和核心成员破碎承受弯曲。从文献结果可以看出，网格结构的几何优化是设计一种比弯曲网格材料更硬、更强的拉伸主导结构。Han和Tsai介绍了由拉挤玻璃纤维肋制成的连锁复合网格结构。使用单向复合肋，可以使所有纤维向肋向排列，从而有效利用材料的刚度和强度。然而，一些由于交叉处有较多的肋交叉，使得结构的制造更为复杂。为了提高效率和质量，我们改变了方法去生产夹层复合材料，与传统的核心制造技术相比增材的制造提供了更灵活的设计，使我们能够设计和制造零件高复杂性细胞和桁架结构等困难，繁琐，耗费时间制造。然而，一些结构更复杂的制造，因为他们有更多的肋骨交叉在交叉处。为了提高效率和质量，将夹层复合材料的制芯方法从传统的制造工艺转变为成增材制造，提供了更灵活的设计，使我们能够设计和制造复杂的元胞和桁架结构等制造困难、繁琐和耗时的部件^3，10-13。

增材制造技术引起了航空制造公司的关注。2016年6月1日，空中客车展示了3D打印无人机模型飞机，来用于测试现实中的高科技目标。这项新技术使工程师能够以新的方式设计飞机，这大大减轻了飞机的重量。整个飞机长约4米，重量仅20公斤左右^14,15。尽管 3D打印结构提供了更便宜和更灵活的设计等优点，但由于这些结构在不同应力条件下的力学性能未知，因此尚未广泛应用于航空航天和汽车领域。

本文利用3D打印技术设计制造了不同的塑料芯材，采用有限元分析（FEA）和三点弯曲试验对三维打印岩心夹 层结构的力学性能进行了分析。我们希望这些新结构能在未来的无人机上使用。

2．实验

2.1 晶格核心设计和夹层结构的准备

夹层结构的核心是由3D设计软件设计的。各种网格设计良好，例如双网格、三网格、四网格和 Kagome-grid（如图1(a)1(d)所示）16。采用聚乳酸纤维（芯丝厚度为8mm）3D打印机打印了16个试件。本文使用的面板为碳纤维环氧复合材料，厚度0.6mm。面板参数如表1所示。

图 1 四种网格结构示意图(a)双网格，(b)三网格，(c)四网格，(d) Kagome-grid（网格结构的典型肋排布）

图 2 格子芯三明治样品结构：(a)夹层结构模型，(b)格子网格夹层结构（去除上面板左侧部分，显露结构内部结构）

表 1 模拟所用材料的参数¹⁷

本文用环氧树脂（双酚A二缩水甘油醚）与蜂窝芯材胶合，制成夹层结构，为保证胶合良好，对面板和芯材表面进行轻度抛光。在这种情况下，面板和核心被高质量的粘在一起。最后，将夹层样品置于真空袋中，并在 40℃ 下固化 4小时。表 2 列出了夹层结构的尺寸。

表 2 夹层结构的性质

2.1.1三点弯曲试验

根据 GB T1456-2005，以 2 mm/min 的最小加载速率进行三点弯曲实验。根据Eqs计算夹层结构的抗弯刚度和岩心剪切应力。

岩心剪切应力计算公式如下： （1）

,

其中为芯剪应力(MPa),P为载荷(N),b为试样宽度(mm),h为试样厚度 (mm),t为面板厚度(mm),为芯剪切模量(MPa);为面板弹性模量(MPa)。

夹层板抗弯刚度为： （2）

式中D为夹层结构抗弯刚度（）,为悬挑臂长（mm），为荷载-挠度曲线先行部分斜率（）,l为跨长（mm）,为（mm）对应的增加挠度值。

2.2有限元分析

本文采用有限元法研究了夹层结构在弯曲荷载作用下的应力分布。蜂窝芯（220毫米times;80毫米times;8毫米）和两个面板（厚度为0.6毫米）作为一个整体结构粘在一起。我们假定面板和网格核芯的粘合是完美的。压头施加逐渐增大的荷载P,支架底部施加位移，如图3所示。

图 3 有限元分析模型上的弯曲载荷和位移

为了确定芯材的力学性能，根据GB/T2567-2008标准对实心圆柱和哑铃样式进行了力学性能测试。

在本研究中，夹层结构的应力分布用Von-Mises应力和主应力表征。核芯的机械性能被定义为弹性材料。聚乳酸的杨氏模量和泊松比分别为879.72Mpa和0.35。并根据Eqs中抛物型失效准则对其失效机理进行了分析^18-20。式中,是PLA的抗压强度；是PLA的抗拉强度，在我们的实验中和分别是92Mpa和39Mpa。

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3.结果和讨论

3.1有限元分析

图 4-7 显示了分别承受3280N、2240 N、3600 N 和 3040 N 弯曲载荷时，采用印刷双网格、三网格、四网格和Kagome-Grid蜂窝芯制造的夹层结构的Von-Mises应力分布。受弯曲荷载作用，四种夹层结构表现出相似的应力分布。从图4(a)-7(a)可以看出，应力集中位于上面板上的加载区（分布在压头两侧）和下面板上的支撑区。双网格、三网格、四网格和Kagome-Grid夹层结构的最大应力为853MPa（图4(b)）、885MPa（图5(b)）、3390MPa（图6(b)）和856MPa（图7(b)），位于底面板材的支撑区域。蜂窝夹芯的应力集中区位于压头与支座之间的区域。双网格、三网格、四网格和Kagome-Grid蜂窝芯夹层结构的蜂窝芯的最大应力分别为 63.7MPa（图4(c)）、78.7MPa（图 5 (c)）、81.7MPa（图 6 (c)）和65.9 MPa（图 7(c)）。

图 4 双网格应力分布：(a)夹层结构应力分布，(b)底面板应力分布，(c)核心应力分布

图 5 三网格应力分布：(a)夹层结构应力分布，(b)底面板应力分布，(c)核心应力分布

图 6 四边形网格应力分布：(a)夹层结构应力分布，(b)底面板应力分布，(c)核心应力分布

图 7 Kagome-Grid 应力分布：(a)夹层结构应力分布，(b)底面板应力分布，(c)核心应力分布

根据抛物线破坏准则分析了岩心的破坏机理，结果如图8-11所示。图8显示了双网格芯在分别承受2400N、2560N、3040N和3600N 的弯曲载荷时的破坏区域（图8(a)-8(d)）。随着弯曲载荷的增加，当弯曲载荷达到2560N时，双网格芯表面出现了少量裂纹。随着弯曲载荷的进一步增大，铁心表面裂纹也随之增多。从图8(c)-8(d)可以看出，裂纹倾向于沿着水平方向扩展，而水平方向位于芯层和面板之间的界面，这表明芯材和面板之间存在界面脱粘现象。

三网格、四网格、Kagome-Grid 核的破坏区域如图9-11所示。在第一个加载阶段可以看到，核芯上发生了一些损坏，如图9(b)-11(

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资料编号：[2270]