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(二)管状结构 l 3D打印多材料、多尺度和多功能仿生多孔结构

发布时间:2022-09-05  点击量:308

 

  管状结构设计的特点是相同方向的中空或流动通道。这种设计技术被自然界中几种非凡的吸能材料所认可,包括竹子、马尾植物、甲虫和肌腱。

  当在微/纳米尺度上观察时,可以在细胞壁、血管等结构中发现小管。管的半径、体积分数和壁厚是影响机械性能的关键因素。管子设计的典型能量吸收机制包括屈曲、弯曲、塌陷和分层。最后,小管已经证明可以通过变形过程促进能量吸收以及在小管壁解体时开裂来提高抗冲击性。

  圆形管是最广泛使用的几何形状,因为它们具有高强度、刚性、柔韧性且易于生产,并且具有高能量吸收能力。

  本期谷.专栏结合将结合《Lessons from nature: 3D printed bio-inspired porous structures for impact energy absorption – a review》这篇论文,解读模仿自然结构可帮助开发更有效的圆形设计,并增加能量吸收能力。

 

 

▲ 多孔结构-来自大自然的灵感

 

  l 竹子

  竹子具有独特的结构,由带有对称节点的圆柱组成。竹子的整体刚度/质量比大于金属材料,例如钢和铝。竹树可以承受由风施加的力产生的高弯曲应力。

  比一些传统材料具有更高的弯曲和抗压强度,竹节也更耐开裂。形成多孔结构的竹子血管系统由相互连接的通道和具有薄壁细胞梯度分布的多细胞网络组成。这种模式具有设计可以模仿竹子的机械性能的薄壁结构的潜力。

 

▲ 竹子的内部结构

 

  然而,薄壁管具有一些限制,例如其横向能量吸收低、折叠时稳定性低(取决于压头的曲率)、横向刚性差。由于结构在屈曲模式下失效,特别是对于具有大 L/D 比的管子,管子在轴向压缩时的稳定性较低。

  竹管与薄壁管的相似之处在承载、结构和功能方面为薄壁管的设计提供了灵感和参考。

 

▲ 竹子的多孔结构

© Additive Manufacturing

 

  为了创建有效的能量吸收结构,科学家提出了一种受竹子启发的多细胞管 (BMT) 并进行了数值研究。BMT 由四根相互连接的圆形管组成。结构横截面的灵感来自竹血管系统。仿生多细胞管从外到内每层有18、9和4个管,模仿竹子的血管梯度分布。当使用非线性有限元法 (FEM) 进行模拟时,结果表明仿生设计在横向和轴向冲击载荷下具有四倍的比能量吸收 (SEA)。

  模仿竹维管束的梯度分布,科学家们还开发了另外一种仿生设计,数值结果表明,仿生结构的承载能力是常规管设计的 1.24 倍。

  另一方面,使用线切割放电加工(WEDM)制造竹子灵感的蜂窝管状结构,对这些样品以高达 4.4 m/s 的冲击速度进行落锤冲击试验。得出的结论是,该结构的最大比能量吸收高于传统金属蜂窝结构。

 

  l 马尾植物

  在马尾植物中发现了中空的多细胞结构,这些多孔结构能够承受风等横向载荷条件]。因此,马尾结构已成为开发一些仿生结构的基础。

  科学家通过 LS-DYNA 的非线性有限元方法研究了马尾仿生多细胞管 (HBMT) 在低应变率下三点弯曲下的性能,根据他们的数值研究,单元数、内壁、直径和壁厚对结构的耐撞性有显影响。

▲ 马尾植物的多孔结构

© Additive Manufacturing

 

  为了升级设计,在最近的一项研究中,在设计中引入了泡沫结构,以 15 m/s 的冲击速度进行了实验性横向冲击试验。基于对新设计的分析,发现仿生结构的泡沫密度和壁厚对其耐撞性有显著影响。当使用 0.5 g/cm3 的泡沫密度和 3 mm 的管厚进行建模时,仿生结构的比能量吸收为 1.6 kJ/kg。结果再次表明,仿生结构的性能优于传统的泡沫填充圆形薄壁结构。

 

  l 甲虫前翅

  甲虫前翅中小梁的内部结构也具有可模仿的多孔结构。科学家们提出了两种基于瓢虫内部结构和日本甲虫前翅的新型仿生多细胞管。新型管由蜂窝和圆形管组成,其中圆形管位于蜂窝壁的中心。

  采用铝合金制造了两种仿生结构的能量吸收特性,并使用非线性有限元软件LS-DYNA通过比较原始蜂窝结构在轴向冲击载荷下的能量吸收特性进行了研究。在 500 kg 的重量和 10 m/s 的速度下进行动态加载。结果表明,仿生设计的比能量吸收高于传统的蜂窝结构。

▲ (A) 甲虫前翅 (B) 日本甲虫前翅的微观结构

© Additive Manufacturing

▲ (A) 由蜂窝和圆形管组成的仿生多细胞管 (B)具有不同位置圆管的仿生多细胞管  (C) 具有不同横截面的空心圆柱体中的圆形管 (D) 具有四边形、六边形和八边形的仿生多细胞管节。

© Additive Manufacturing

 

  科学家们模仿瓢虫前翅的特征,并引入了由不同多边形横截面组成的各种圆形管,这些圆形管被设计为空心圆柱形结构,结果表明,当管的直径在 18.13 毫米和 23.56 毫米之间时,规则的六边形仿生设计表现出优异的比能量吸收特性。这项研究是通过数值模拟进行的。

 

  其他研究人员也尝试模仿管状多孔结构研究了一系列具有四边形、六边形和八边形截面的仿生设计,以了解圆管位置在设计截面内的影响,管的顶端用刚性板以10 m/s的恒定速度压缩。结果表明,四边形 (29.94 kJ/kg)、六边形 (33.86 kJ/kg) 或八边形 (36.09 kJ/kg) 截面的比能量吸收 (SEA) 高于无管设计 (22.99 kJ/kg)公斤)。

 

  l 肌腱

 

  肌肉主要通过肌腱与骨骼相连,肌腱是有助于运动的柔软而厚实的结构。肌腱的解剖结构体现了自然界的等级制度。从纳米、微米到毫米的尺度定义了其横截面,肌腱纤维的强度和韧性受几种不同的损伤相关过程控制,这些过程在所有层次上运行。肌腱充当肌肉和骨骼之间的力传递结构。这具有在快速收缩肌肉时充当动态放大器的额外效果。

▲ (A) 肌腱 (B) 仿生管模拟肌腱结构

© Additive Manufacturing

 

  仿生学设计上可以模仿类似于肌腱和肌肉中所见的管状分层管,这些管子是通过将较小的管子嵌套在层次结构较高级别的已建立的管子中而创建的。引入层次结构后,能量吸收能力显着提高,高阶层次部分实现了更大的增强。

 

  管状结构的应用

  根据3D科学谷的市场研究,管状结构在热交换器、人工血管、核能、泵、阀体等领域得到了广泛的应用,而结合3D打印,这一应用正在突破原来的瓶颈,颠覆原有的设计。

  在热交换器领域,传统的热交换器包括大量的流体通道,每个流体通道都是使用板,条,箔,鳍,歧管等的某种组合形成的。这些部件中的每一个都必须单独定位,定向并连接到支撑结构,例如,通过钎焊,焊接或其他连接方法。这种热交换器的组装相关的制造时间和成本非常高,并且由于形成的接头数量,流体通道之间或从热交换器泄漏的可能性通常增加。而这种制造极限也限制了热交换流体通道及其中包括的热交换特征的数量、尺寸和构造。

  根据3D科学谷的市场研究,GE开发了一款热交换器包括在管入口和管出口之间延伸的多个管,进气歧管包括:内壁和外壁,以及一个或多个挡板,挡板在内壁和外壁之间延伸,以将进气室分成多个流体通道,这些入口歧管和与入口歧管相同的出口歧管通过3D打印-增材制造的方式被制造为单个结构一体化部件。

  在核能方面,为了解决成本问题,橡树岭的研究人员正在改进他们的 3D 打印气体管道到反应堆堆芯的设计,使用计划中开发的 3D 打印方法,可以使用碳化硅进行打印,碳化硅是一种耐火材料,具有高温和抗辐射性。

  3D 打印使的开发人员能够使用一些高性能材料实现高度复杂的设计,例如用于冷却通道的设计,这在以前是不可能的。还可以使用新的材料,例如,使用碳化硅等材料,这样可以显着提高核反应堆的性能和安全性。