摘要
随着航空航天领域和骨组织工程的发展，对承载结构的性能要求越来越高，研发轻质功能性结构对于当前航天器和植入体有着积极的意义。功能梯度点阵结构以其轻质高强、开孔和性能梯度变化的特点，被认为是最合适的功能性结构材料。由于点阵结构具有复杂微结构，传统工艺难以加工，增材制造技术的出现使得各类点阵结构的设计得以实现。因而，本课题以增材制造为加工工艺，围绕梯度点阵结构的力学性能进行了广泛研究。 首先，论文对现有的增材制造技术和梯度点阵结构的发展现状进行了评述，从中提炼出了当前梯度点阵结构存在的关键问题，并陈述了本课题的具体内容。针对于当前梯度点阵结构存在的性能劣化问题，借助于数值仿真技术，对现有结构的失效机制进行分析，提出了由单胞尺寸变化形成的尺寸梯度点阵结构。在此基础上，考虑到梯度点阵结构的力学性能与各层结构有关，依据经典梁理论建立了各层结构的刚度预测模型，采用实验验证了力学性能预测模型的可行性。 然后，对梯度点阵结构的准静态压缩响应进行了研究。考虑到母材属性对结构力学性能的影响，采用实验和数值仿真结合的方式分别从韧性材料尼龙和脆性材料钛合金两个方面研究了梯度点阵结构的准静态压缩响应。观察发现尺寸梯度点阵结构具有优异的承载和能量吸收能力，在防护装置应用上有着极大的优势。为了实现梯度点阵结构力学性能的定向预测，基于混合准则，建立了梯度点阵结构整体力学性能与各层结构性能的映射关系，实验与数值仿真结果印证了该映射关系的可行性。 进一步地，为系统性地评估尺寸梯度点阵结构力学行为，采用激光增材制造技术制备了相应的钛合金实验样品，开展了压-压疲劳试验，研究了梯度点阵结构的疲劳行为。考虑到样品表面质量对于结构力学性能的影响，还分析了喷砂处理对结构力学性能的影响。发现钛合金梯度点阵结构的疲劳破坏形式为韧性断裂和脆性断裂的综合。喷砂处理能有效地提升梯度点阵结构的疲劳寿命，这对于梯度点阵结构的力学性能提升提供了良好的参考。 最后，系统性地分析了梯度点阵结构的力学性能影响因素，包括各层结构、梯度化方向、制造工艺与加工后处理的影响，通过合理地结构设计与工艺方式能更好地实现定向需求的功能结构设计。此外，采用数值仿真技术评估了该结构的工程应用潜力并开展了部分后续延展工作。
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