1. 研究目的与意义（文献综述）

随着装备制造技术的高速发展，不同行业的需求差异度越来越大，例如航空航天要求轻量化、高寿命以及高可靠性；精密机床行业要求高精度以及高稳定性；汽车行业则要求高安全性、低油耗以及节能环保等。随着材料工程的发展以及制造工艺的进步，越来越多的轻量化结构被开发出来，予以满足上述要求。夹层结构就是其中之一。

夹层结构起源于仿生学，由于其合理的材料分配，使得它具有良好的力学性能，并且广泛应用于航空、船舶以及建筑行业。相对于相同质量的均值材料，夹层结构具有更高的刚度、强度以及吸能。因此，夹层结构作为具有轻量化潜力的新型结构，拥有广阔的应用空间。夹层结构主要由上下面板、芯层材料及胶层三个部分构成。其中，面板材料以模量高、强度大的薄板最为典型，该部分主要承受由弯曲产生的拉伸和压缩应力；芯层材料往往为密度较小，具有一定厚度的轻质材料，结构可设计多种多样，其主要承受剪切应力；胶层作为面板与芯层的载荷传递环节，其必须拥有足够的强度，以保证夹层结构在使用过程中不出现胶层失效的现象。

然而，为了满足各项指标，夹层结构经过优化设计后大大增加了其本身芯层结构的复杂性，这就是加工制造出现了困难，传统车铣刨磨的方式难以加工出合适的结构，而增材制造技术（3d打印技术）以其强大的制造能力在现在装备设计和制造中得到越来越广泛的应用。增材制造（additive manufacturing）也被称为3d打印制造，是根据绘制的三维模型，采用层层叠加的方式制备三维产品的技术，其能够实现几何形状高度复杂结构的快速“生长”成型，制造约束相对较少，可以大大地减少加工工序，缩短加工周期，降低研发成本，被誉为颠覆性的制造技术。由于其制造能力强大，可以针对复杂的宏观以及微观结构，3d打印技术在复杂结构制造领域展现了巨大的优势。正是由于3d打印制造的方便性以及夹层结构这一系列的优异性能，结构优化之后的夹层结构可以运用3d打印技术进行加工。

2. 研究的基本内容与方案

本次课题为聚合物点阵结构的3D打印制备及力学性能研究。

课题总体需求为：在保证质量相对最轻的情况下，拥有相对最优的力学性能。

(一) 此课题总体流程为：

（1） 运用inventor软件绘制三维模型，并转换为STL格式储备；

（2） 选择并订购最合适的聚合物材料；

（3） 运用型号为Creator Pro的FDM打印机进行增材制备试样；

（4） 运用型号为DNS-100的通用试验机对试样的力学性能进行测试，随后记录实验数据；

（5） 运用ANSYS软件进行有限元分析；

（6） 结合经验公式计算试样的应力应变及弹性模量等数据；

（7） 运用MatLab软件绘制试样的拟合曲线，并进行不同结构不同材料的比对；

(二) 此课题的总体流程图为：

(三) 三维模型的设计

晶体是由在空间有序排列的原子组成的。原子的有序排列称为晶格，是由单胞所定义的能描述晶体整体对称性的最小组晶格点。单晶由相同类型和取向的晶胞组成，但大多数晶体材料由许多畴组成，每个畴都含有与其相邻晶格取向不同的晶格取向。在冶金学中，这种畴是由晶界分隔的，称为晶粒。由许多晶粒组成的晶体物质称为多晶体。除了晶格外，还有其他晶体学微观结构特征（如位错、晶粒、相和沉淀物），可以通过操纵这些特征来控制晶体在外载荷作用下的塑性变形。引起塑性变形的最常见机制是位错滑移，对于多晶体，晶界晶格取向的改变可阻碍甚至阻止位错从一个晶粒移动到下一个晶粒。所以本课题将在夹层中设计为晶状结构，并在上下粘贴两面板以加固结构。

(四) STL文件格式

STL（stereolithography，光固化立体造型术的缩写）是由3D SYSTEMS 公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式，是3D打印机的标准三角语言STL文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。

(五) Creator Pro打印机的基本参数如下：

(六) 弯曲与拉伸试验计算公式

（1） 弯曲

弯曲试验测定材料承受弯曲载荷时的力学特性的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。弯曲试验时，试样一侧为单向拉伸，另一侧为单向压缩。

实验所用试件如下图 1 所示，试件截面为矩形，其中，b 为试件宽度， h 为试件高度， L 为试件长度。

图1矩形截面试件

图2所示为三点弯曲试验的示意图。其中， F为所施加的弯曲力， Ls为跨距， f 为挠度。

图2三点弯曲试验示意图

通过配套软件自动记录弯曲力 - 挠度曲线（见图 3）。在曲线上读取弹性直线段的弯曲力增量和相应的挠度增量，按式（1）计算弯曲弹性模量，其中， I 为试件截面对中性轴的惯性矩，弹性模量 （1）

图3图解法测定弯曲弹性模量

最大弯曲应力的测定： （2）

其中，为最大弯曲应力，为最大弯曲力，W为试件的抗弯截面系数，。

最大弯曲应变 （3）

（2） 拉伸

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。

此课题我们主要计算应力应变及弹性模量。

工程应变，其中为样品的总形变，L为样品平行段部分。

工程应力其中F为最大拉伸力，S为平行段横截面积

真应力， （4）

3. 研究计划与安排

1-4周：明确设计任务，查阅资料，完成开题报告；

5-9周：完成零件模型的创建，材料的订购以及零件的制备；

10-13周：完成零件的力学性能的测试；

4. 参考文献（12篇以上）

1． 杜正兴, 薛应举, 刘洪权. 复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究[j]. 强度与环境, 2014(4):27-32.

2． 王艳龙, 蔡敬标, 陆晓峰, et al. 含孔复合材料点阵夹层结构数值计算方法及其影响因素[j]. 复合材料学报, 2017(1).

3． 田小永, 侯章浩, 张俊康, et al. 高性能树脂基复合材料轻质结构3d打印与性能研究[j]. 航空制造技术, 2017(10).