封面解读
封面展示了选区激光熔化成形的点阵结构在外力作用下发生变形的情景。选区激光熔化技术具有极高的设计自由度，该技术可以制备内部复杂且精细的点阵结构，突破了传统制造方法的设计限制。高强度的点阵结构具有高度的空间对称性，可以将外部载荷均匀分解，在实现减重的同时保证一定的承载能力。
1、研究背景
轻质点阵结构因优异的降噪、抗冲击、热交换等性能，有望被广泛应用于航空航天、汽车、造船等工业领域。传统的材料制备工艺因被点阵结构复杂的晶胞内部结构与严格的杆间尺寸所限制，无法满足其高精度制备需求。选区激光熔化结构成形自由度高，被广泛用于复杂点阵结构的成形。
目前，大多数相关研究集中在不同晶格结构的对比，而关于点阵结构参数的对比研究报道较少。点阵结构的相对密度、杆间夹角以及杆间弯曲程度的不同会影响结构的各向异性、力学性能、失效变形机制等。因此，有必要厘清点阵结构参数与性能之间的关系。
南昌航空大学刘奋成教授团队通过仿真模拟与真实试验相结合的方法，对选区激光熔化成形的不同杆间夹角点阵结构进行了变形过程与结构失效分析，建立了不同杆间夹角与受冲击压缩载荷过程中结构变形规律，探究了点阵结构压缩过程中的失效机理。
2、创新工作
采用选区激光熔化技术成形了TC4钛合金体心立方（BCC）点阵结构，进行不同杆间夹角BCC点阵结构的准静态压缩试验，以评估点阵结构的承载能力和能量吸收能力。运用有限元分析手段对点阵结构压缩过程中的变形行为进行了仿真模拟定性分析，建立了点阵结构力学性能与杆间夹角之间的关系。图1为不同杆间夹角的BCC单胞及有限元分析模型。
图1 不同杆间夹角的BCC单胞及模型。（a）60°；（b）90°；（c）120°；（d）有限元分析模型
对具有不同杆间夹角的SLM增材成形点阵结构进行室温准静态压缩试验，研究发现，在弹性变形阶段，不同杆间夹角的结构弹性模量基本保持一致；而到了塑性变形阶段，杆间夹角的不同导致了抗压强度的不同变化。这表明杆间夹角对点阵结构的压缩性能影响规律并非线性关系，呈现出先减小后增大的趋势。
图2为杆间夹角分别为60°、90°和120°的点阵结构在不同压缩变形阶段的应力云图及仿真模拟结果。对比发现，三种结构在弹性变形阶段等效应力集中分布在节点处，压缩过程中由节点向节点附近拉杆产生剪切力并向四周弯曲，拉杆中间部位等效应力较小。单胞拉杆杆间夹角的调整不能改变弹性变形阶段的等效应力集中位置，但在临近破坏失效时，等效应力会由小角度时的沿着Z轴方向集中于中上层点阵结构逐渐转变为在整个点阵结构中分散分布。从模拟结果来看，节点位置等效应力集中并最终导致局部剪切失效，是整个结构破坏的重要原因。
图2 不同杆间夹角SLM增材成形TC4合金点阵结构压缩试样各变形阶段应力云图及仿真模拟结果
对杆间夹角分别60°、90°和120°的点阵结构进行了准静态压缩试验和仿真模拟分析。结果显示，仿真模拟得到的应力应变曲线在弹性变形阶段与真实试验基本吻合，在到达塑性变形阶段和破坏失效阶段时，仿真模拟输出的应力值略大于试验结果，但误差在10%以内。
3、总结与展望
通过研究杆间夹角对点阵结构准静态荷载下压缩响应的影响规律，证实了芯体结构优化在点阵结构减重的同时可以显著提高点阵结构的抗压强度。此外，压缩过程中点阵结构的能量吸收能力、吸能效率和压缩性能随着杆间夹角的增大呈现出先减小后增大的趋势。
研究结果表明可以通过调整杆间夹角来实现点阵结构的减重并提高了抗压强度，说明可以梯度调控点阵结构层间芯体的结构参数来满足航空航天领域的多功能应用场景。梯度点阵结构力学响应和强化机理有待进一步研究。在后续工作中，团队将进一步深入分析结构参数对梯度点阵性能的影响机理，以推动增材制造技术在点阵结构制备中的应用。
通信作者/课题组简介
南昌航空大学刘奋成教授团队基于增材制造技术在航空、航天中的典型应用开展研究工作，在镍基高温合金微合金化、辅助能量场增材制造技术开发、新型增材制造专用铝合金粉末材料研发等领域取得了系列研究成果。科研成果在直升机、无人机、微小航空发动机等装备关键复杂结构制备中得到应用。团队承担和参与科技部重点研发计划、军委科技委基础加强计划项目、国家自然科学基金项目等10余项国家级和省部级科研课题，成果获得江西省自然科学奖等科研奖励10余项。
科学编辑 | 南昌航空大学 刘奋成教授
编辑 | 沈灵灵
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