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近日，我校裝備工程學(xué)院的碩士研究生曾啟鉉和指導(dǎo)教師徐名揚(yáng)，通過將甲蟲翅鞘中肋板增強(qiáng)的微觀結(jié)構(gòu)引入傳統(tǒng)六邊形蜂窩中，結(jié)合多層梯度結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種肋板增強(qiáng)梯度蜂窩結(jié)構(gòu)：壁肋增強(qiáng)梯度蜂窩（WRRGH）和頂點(diǎn)肋增強(qiáng)梯度蜂窩（VRRGH）。采用激光選區(qū)熔融（SLM）技術(shù)制備了AlSi10Mg合金梯度蜂窩結(jié)構(gòu)試件，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、落錘撞擊實(shí)驗(yàn)、Kolsky桿撞擊試驗(yàn)以及有限元仿真，研究了這兩種梯度蜂窩結(jié)構(gòu)和均質(zhì)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)在三種應(yīng)變率（10?3 s?1、220 s?1、1500 s?1）下的面內(nèi)力學(xué)性能和能量吸收能力。在3種應(yīng)變率下這兩種梯度蜂窩的比吸能（SEA）均大于均質(zhì)蜂窩。本研究為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異力學(xué)性能和抗沖擊能力的多層梯度蜂窩結(jié)構(gòu)提供了新的視角。其研究成果以“Mechanical properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy gradient honeycomb with rib reinforcement at different strain rates”為題發(fā)表在中國科學(xué)院1區(qū)SCI期刊《Thin-Walled Structures》上。2023-2024年度影響因子為5.7，為工程技術(shù)學(xué)科Top期刊。我校為第一署名單位，本文通訊作者為沈陽理工大學(xué)徐名揚(yáng)老師，主要作者屬于杜忠華教授團(tuán)隊(duì)。該工作得到了遼寧省教育廳基本科研項(xiàng)目、“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目、遼寧省博士科研啟動基金計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

蜂窩結(jié)構(gòu)長期以來因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性而備受重視，使其成為各種工程應(yīng)用的理想選擇。傳統(tǒng)的六邊形蜂窩設(shè)計(jì)已被廣泛研究，從而開發(fā)出了能滿足特定機(jī)械要求的多種結(jié)構(gòu)形式。然而，隨著應(yīng)用場景的日益多樣化，越來越需要能在不同加載條件下提供特定機(jī)械響應(yīng)的蜂窩結(jié)構(gòu)。為此，研究人員開始關(guān)注新的設(shè)計(jì)方法，包括梯度策略和混雜設(shè)計(jì)。將梯度策略、生物結(jié)構(gòu)和增材制造相結(jié)合，可能開發(fā)出具有優(yōu)異力學(xué)性能和能量吸收能力的蜂窩。

圖 3D打印過程和選擇性激光熔化(SLM)制造的梯度蜂窩試件：(a)打印方向；(b)制造過程；(c)成型試件

將肋板增強(qiáng)策略引入傳統(tǒng)六邊形蜂窩中，結(jié)合多層梯度策略，設(shè)計(jì)并3D打印制備了這兩種肋板增強(qiáng)梯度蜂窩結(jié)構(gòu)。這兩種梯度蜂窩結(jié)構(gòu)在面內(nèi)加載下均表現(xiàn)出逐層變形和破壞模式，每個(gè)梯度層級的變形模式受肋板數(shù)量和幾何形狀的影響。在壓縮條件下，增強(qiáng)肋板或蜂窩壁均會在交點(diǎn)處形成塑性鉸，肋板或蜂窩壁繞鉸發(fā)生轉(zhuǎn)動，并且在胞元壁或肋板的交點(diǎn)處發(fā)生剪切破壞。與均質(zhì)六邊形蜂窩相比，這兩種梯度蜂窩的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)出多級應(yīng)力平臺。WRRGH和VRRGH在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的SEA分別提高了64.5%和212.4%；在落錘沖擊下，SEA分別增加了78.9%和77.9%；在Kolsky桿動態(tài)加載下，SEA分別提升了227.6%和32.79%。此外，梯度蜂窩結(jié)構(gòu)中的剪切破壞在較高應(yīng)變率下更為顯著，表明其破壞機(jī)制具有應(yīng)變率依賴性。梯度蜂窩結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能和抗沖擊性能，在工程領(lǐng)域中展示出了良好的應(yīng)用前景。（文/圖 徐名揚(yáng)）

圖 (a)均質(zhì)蜂窩、(b) WRRGH和(c) VRRGH在準(zhǔn)靜態(tài)面內(nèi)壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果

圖 SLM制造的多種梯度結(jié)構(gòu)鋁合金蜂窩的比能量吸收（SEA）