具有顯著縱波傳播特性的三浦-折紙管狀準零剛度超材料的增材制造
時間：2024-10-23 08:56 來源：先進激光增材制造 作者：admin 閱讀：次
近期，寧波大學沖擊與安全工程教育部重點實驗室王永剛教授團隊在《Virtual and Physical Prototyping》期刊上發表了以“Laser additive manufacturing of Miura-origami tube inspired quasi-zero stiffness metamaterial with prominent longitudinal wave propagation”為題的論文研究成果。本研究以三浦折紙管為靈感，利用激光粉末床熔合(LPBF)制備了一種具有復雜準零剛度(QZS)結構的新型超材料。QZS超材料單元由兩層四邊形框架和兩個垂直彈簧組成，它們連接在對角線點上。研究了不同加工條件下QZS零件的幾何精度、致密程度和力學性能，確定了優化的加工參數。采用實驗和仿真相結合的方法，對QZS零件的位移響應進行了分析。結果表明，LPBF制備的QZS超材料在660 ~ 2500 Hz的低頻范圍內形成了4個超寬的縱波帶隙。所提出的LPBF制備的QZS超材料在抑制工程結構縱向振動方面具有很大的潛力。
https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2299691
近年來，折紙結構已成為全球研究熱點，在工程領域具有獨特的應用可能性。三浦發明了三浦折紙結構(也被稱為三浦折疊)，并將其應用于可折疊的太陽帆板。在對折紙結構的研究加速下，所謂的“折紙超材料”已經出現。但最近的折紙超材料結構始終表現出相對較差的面外剛度，這限制了它們作為工程材料的潛在應用。其中一個影響因素是準零剛度系統易受裝配誤差或安裝不準確的影響，這些系統由多個正剛度和負剛度元件組成，可能會嚴重影響其隔振性能。事實證明，減輕此類組裝錯誤非常具有挑戰性。
因此，受三浦折紙管的啟發，利用LPBF制造了一種新的超材料。這種超材料是由準零剛度單元組成的陣列結構，由折紙薄壁結構和內力平衡組成。所提出的超材料可以抑制低頻縱波、減振和吸收能量。除了組裝件的結構特征外，特別是LPBF加工條件在很大程度上決定了薄壁結構的成形質量和表面粗糙度，從而決定了可加工性。
研究采用激光粉末床熔融(LPBF)制備了三浦折紙管啟發的準零剛度超材料，系統研究了激光掃描速度對致密化性能、幾何精度、壓縮性能和低頻隔振性能的影響。
圖2為使用Abaqus作為有限元方法(FEM)軟件來模擬準靜態壓縮試驗。為了保證實驗結果與有限元分析結果一致，對有限元模型的下表面進行約束，對模擬零件的上表面施加垂直向下的位移載荷。利用能量控制在準靜態條件下控制整個過程。用C3D8對模型進行網格劃分單元和ABAQUS的顯式動態求解器用于捕獲動態變形行為。
圖3為振動實驗裝置及其組成，QZS超材料由多層壓電驅動器通過dSPACE DS1104系統和信號發生器的白噪聲信號激發，該信號發生器經過信號放大器。激光測振儀用于捕捉超材料的位移傳輸。
采用框架厚度(T1)、褶皺厚度(T2)、頂角(u1)和底角(u2)四個參數來量化QZS結構的幾何精度。圖4(b)顯示了角度和T1以及T2隨掃描速度(v)的函數。LPBF制造的零件的數值略大，這主要歸因于表面粗糙度和附著的部分熔融粉末顆粒。厚度T1和T2隨v的增大逐漸減小(從600 mm/s到1000 mm/s)。
圖5(a)顯示了整個完整褶皺的顆粒方向圖，其中藍色、綠色和紅色分別代表平行于<111>軸、<101>軸和<001>軸的顆粒方向。在褶皺的所有三個區域，顆粒方向都是高度隨機的。這種小晶粒尺寸源于相對較小的結構，在熔池內提供了較大的熱梯度，因此可以快速地從熔池向基體提取熱量。由此產生的高冷卻速率導致了精細組織的凝固。
圖6為LPBF制造的QZS結構在不同階段隨載荷增加的壓縮試驗中von Mises應力和幅值的實驗記錄圖像及相應的有限元模擬結果。隨著頂部剛性壓板的下降，應力被誘導到QZS部分，應力首先集中在褶皺區，這也是第一次斷裂的位置。隨著載荷的增加，應力集中越來越明顯，最終導致斷裂。在第一次斷裂后，橫向褶皺底部出現了更明顯的應力集中。
圖7表明在框架厚度(1 mm)、頂角(60°)和底角(120°)合適的結構參數下制造的QZS零件可以形成超寬的低頻縱向帶隙。在觀測頻率范圍內存在4個縱向帶隙，其中1、2、3、4個帶隙分別為660 ~ 780、1120 ~ 1166、1167 ~ 1330和1420 ~ 2570 Hz。
主要結論
1. 薄壁結構的厚度和結構特性對成形效果有顯著影響。結構復雜的區域特別容易受到明顯的球化效應的影響。過高的激光掃描速度會降低能量密度，可能導致熔合不完全缺陷。相反，過慢的激光掃描速度會導致孔洞增加，并加劇球化效應，最終導致成形性降低。在這種情況下，在激光掃描速度為800 mm/s時的LPBF制備的QZS試樣微觀結構高度均勻，僅表現出弱織構，相當于各向同性特征。因此，確定了一套優化的工藝參數，用于LPBF制造幾何復雜的1mm薄壁結構。
2. 對QZS零件進行了單軸壓縮加載，實驗結果與仿真結果吻合較好。在3.5 ~ 5.5 mm的位移范圍內，LPBF制備的結構呈現準零剛度行為。在壓縮過程中，垂直褶皺的載荷大于水平褶皺和框架區域。隨著位移的增加，水平褶皺處的拉伸力逐漸演化，并逐漸抵消垂直褶皺處的壓縮力，導致QZS行為的出現。
3. 這些LPBF制造的QZS部件在觀測頻率范圍內顯示出4個縱向帶隙，其中第1、2、3和4個帶隙分別為660 Hz-780 Hz、1120 Hz-1166 Hz、1167 Hz-1330 Hz和1420 Hz-2570 Hz。LPBF制造的QZS零件具有準零剛度特性，能夠產生低頻共振，可用于低頻縱波的吸收。
近年來，折紙結構已成為全球研究熱點，在工程領域具有獨特的應用可能性。三浦發明了三浦折紙結構(也被稱為三浦折疊)，并將其應用于可折疊的太陽帆板。在對折紙結構的研究加速下，所謂的“折紙超材料”已經出現。但最近的折紙超材料結構始終表現出相對較差的面外剛度，這限制了它們作為工程材料的潛在應用。其中一個影響因素是準零剛度系統易受裝配誤差或安裝不準確的影響，這些系統由多個正剛度和負剛度元件組成，可能會嚴重影響其隔振性能。事實證明，減輕此類組裝錯誤非常具有挑戰性。
因此，受三浦折紙管的啟發，利用LPBF制造了一種新的超材料。這種超材料是由準零剛度單元組成的陣列結構，由折紙薄壁結構和內力平衡組成。所提出的超材料可以抑制低頻縱波、減振和吸收能量。除了組裝件的結構特征外，特別是LPBF加工條件在很大程度上決定了薄壁結構的成形質量和表面粗糙度，從而決定了可加工性。
研究采用激光粉末床熔融(LPBF)制備了三浦折紙管啟發的準零剛度超材料，系統研究了激光掃描速度對致密化性能、幾何精度、壓縮性能和低頻隔振性能的影響。
圖1 (a)由平行四邊形陣列組成的三浦折紙鑲嵌的折痕圖；(b) 三浦薄板單元和折疊過程的幾何模型；(c)由兩個相同的三浦板組成的三浦管的幾何模型；(d)“凸出”狀態下三浦折紙管的垂直壓縮；(e)受折紙結構啟發的QZS結構的工藝演示。
圖2 陣列模型圖、網格劃分、邊界條件、應力云和從有限元模擬中推斷出的能帶響應云。
圖2為使用Abaqus作為有限元方法(FEM)軟件來模擬準靜態壓縮試驗。為了保證實驗結果與有限元分析結果一致，對有限元模型的下表面進行約束，對模擬零件的上表面施加垂直向下的位移載荷。利用能量控制在準靜態條件下控制整個過程。用C3D8對模型進行網格劃分單元和ABAQUS的顯式動態求解器用于捕獲動態變形行為。
圖3 建立QZS結構的實驗裝置，測定其諧波響應曲線。
圖3為振動實驗裝置及其組成，QZS超材料由多層壓電驅動器通過dSPACE DS1104系統和信號發生器的白噪聲信號激發，該信號發生器經過信號放大器。激光測振儀用于捕捉超材料的位移傳輸。
圖4 (a) LPBF制造的QZS零件的角度、框架和褶皺厚度示意圖；(b)激光掃描速度對LPBF制造的QZS零件錐角、框架厚度和褶皺厚度的影響。
采用框架厚度(T1)、褶皺厚度(T2)、頂角(u1)和底角(u2)四個參數來量化QZS結構的幾何精度。圖4(b)顯示了角度和T1以及T2隨掃描速度(v)的函數。LPBF制造的零件的數值略大，這主要歸因于表面粗糙度和附著的部分熔融粉末顆粒。厚度T1和T2隨v的增大逐漸減小(從600 mm/s到1000 mm/s)。
圖5 從褶皺區選取三個具有代表性的區域進行EBSD分析:(a)褶皺標記處LPBF制備的QZS結構的EBSD圖；(b-d)三個選定部分區域的放大視圖；(e) QZS部分晶粒尺寸分布及平均值。
圖5(a)顯示了整個完整褶皺的顆粒方向圖，其中藍色、綠色和紅色分別代表平行于<111>軸、<101>軸和<001>軸的顆粒方向。在褶皺的所有三個區域，顆粒方向都是高度隨機的。這種小晶粒尺寸源于相對較小的結構，在熔池內提供了較大的熱梯度，因此可以快速地從熔池向基體提取熱量。由此產生的高冷卻速率導致了精細組織的凝固。
圖6 LPBF制造的QZS零件在單軸壓縮載荷作用下的試驗與仿真結果比較。綠色箭頭表示裝載方向。
圖6為LPBF制造的QZS結構在不同階段隨載荷增加的壓縮試驗中von Mises應力和幅值的實驗記錄圖像及相應的有限元模擬結果。隨著頂部剛性壓板的下降，應力被誘導到QZS部分，應力首先集中在褶皺區，這也是第一次斷裂的位置。隨著載荷的增加，應力集中越來越明顯，最終導致斷裂。在第一次斷裂后，橫向褶皺底部出現了更明顯的應力集中。
圖7 (a) QZS結構的縱向帶隙；(b) QZS結構的模擬透射曲線；(c)實驗得到的QZS結構的透射曲線。
圖7表明在框架厚度(1 mm)、頂角(60°)和底角(120°)合適的結構參數下制造的QZS零件可以形成超寬的低頻縱向帶隙。在觀測頻率范圍內存在4個縱向帶隙，其中1、2、3、4個帶隙分別為660 ~ 780、1120 ~ 1166、1167 ~ 1330和1420 ~ 2570 Hz。
主要結論
1. 薄壁結構的厚度和結構特性對成形效果有顯著影響。結構復雜的區域特別容易受到明顯的球化效應的影響。過高的激光掃描速度會降低能量密度，可能導致熔合不完全缺陷。相反，過慢的激光掃描速度會導致孔洞增加，并加劇球化效應，最終導致成形性降低。在這種情況下，在激光掃描速度為800 mm/s時的LPBF制備的QZS試樣微觀結構高度均勻，僅表現出弱織構，相當于各向同性特征。因此，確定了一套優化的工藝參數，用于LPBF制造幾何復雜的1mm薄壁結構。
2. 對QZS零件進行了單軸壓縮加載，實驗結果與仿真結果吻合較好。在3.5 ~ 5.5 mm的位移范圍內，LPBF制備的結構呈現準零剛度行為。在壓縮過程中，垂直褶皺的載荷大于水平褶皺和框架區域。隨著位移的增加，水平褶皺處的拉伸力逐漸演化，并逐漸抵消垂直褶皺處的壓縮力，導致QZS行為的出現。
3. 這些LPBF制造的QZS部件在觀測頻率范圍內顯示出4個縱向帶隙，其中第1、2、3和4個帶隙分別為660 Hz-780 Hz、1120 Hz-1166 Hz、1167 Hz-1330 Hz和1420 Hz-2570 Hz。LPBF制造的QZS零件具有準零剛度特性，能夠產生低頻共振，可用于低頻縱波的吸收。
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