北理工方岱宁院士团队：增材制造随机缺陷对点阵材料力学行为影响

导读：金属增材制造，尤其是选择性激光熔化过程，在制备具有复杂组分的点阵结构方面具有天然优势。但是，由于复杂的制造环境以及工艺过程，所制备的点阵结构内部往往具有大量的随机缺陷，并且实际制备的试样和理想设计模型存在较大偏差。

理论分析、实验测试和数值模拟是研究点阵材料力学行为三种重要的技术手段。然而现有的大部分研究，当在开展理论分析或者建立有限元模型的时候，只是强调结构的拓扑构型和力学性能的关系，忽略了制造过程产生的随机几何缺陷对力学性能的影响。而一旦理论或者模型预测的结果和实验结果存在较大偏差，研究者们往往将其归因于制造缺陷。实际上，制造过程产生的随机缺陷对点阵材料力学行为具有很大影响，因此探究其影响对于结构性能的鲁棒性评估和安全可靠性的设计非常重要。

本研究探讨了增材制造过程产生的随机几何缺陷对点阵材料准静态力学行为的影响。结合原位CT力学试验技术，通过建立统计的有限元模型，分析了不同几何缺陷对点阵结构力学性能、变形机理和能量吸收能力的影响。相关论文以题为“Compression experiment and numerical evaluation on mechanical responses of the lattice structures with stochastic geometric defects originated from additive-manufacturing”在线发表在Composites Part B：Engineering上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108030

和竖直杆件相比，水平杆件具有更多的随机几何缺陷。当将随机的几何缺陷引入理想的有限元模型中时，有限元模型计算的结果能够更好地与实验结果相吻合。和杆件孔洞缺陷（strut porosity）和杆件弯曲缺陷（strut waviness）相比，杆件厚度变化（strut thickness variation）对结构的性能具有更大影响。

图1 具有不同制造方向的点阵杆件的微结构

图2 基于切片图像的点阵结构的几何重构过程

图3 理想和统计的有限元模型

图4 理想模型和统计模型预测的结果与实验结果对比

图5 随机几何缺陷对力学性能的影响

总之，本文探讨了制造过程产生的随机缺陷对点阵结构性能的影响。拓宽和发展了有限元计算模型，所提出的统计的有限元模型方法，能够更好地预测所制备试样的力学性能。如果能够将相关的统计的有限元模型方法运用到实际计算中，将对结构的性能鲁棒性和安全可靠性的设计评估具有很好的指导意义。

在北京理工大学方岱宁院士的指导下，博士生曹晓飞为本文的第一作者，李营副教授、肖登宝副教授为共同通讯作者。方岱宁院士爆炸毁伤与先进防护结构小组成立于2017年，主要从事轻量化力学超材料设计制备与性能表征、先进抗爆防护材料与结构等研究。

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