摘要
点阵材料是一种轻质多功能周期性开孔多胞材料，与传统材料相比，点阵材料具有高比刚度/强度、高抗爆/抗冲击性能等优异力学性能，在航空航天、石油化工、机械、医疗等行业中拥有广阔的应用前景。随着增材制造技术迅猛发展，综合力学性能更优、细观结构复杂的点阵材料更易制备，因此受到了国内外研究者的广泛关注。本文综合了改变传统体心立方（BCC，BodyCenteredCubic）点阵材料单胞构型梁截面形状和添加与所受外部载荷共面的杆件两种设计思路，设计了变密度体心立方嵌套体心立方（GBCC-BCC，GradedBodyCenteredCubicnestedBodyCenteredCubic）点阵材料，利用3D打印技术制备了不同相对密度的GBCC-BCC点阵材料，采用实验与数值模拟相结合的方式，研究了新型点阵材料GBCC-BCC的压缩特性与变形机制，进一步分析了其比力学性能及拉压不对称性，及其动态力学行为。最后根据有限元数值模拟得到的不同应力状态下点阵材料的初始屈服点，修正并验证了一个可以描述GBCC-BCC点阵材料的初始屈服准则。具体研究内容简述如下： （1）对所设计的GBCC-BCC点阵材料的相对密度进行了参数化建模，得到了其相对密度的理论预测模型，对具有不同相对密度的GBCC-BCC点阵材料进行了准静态单轴压缩有限元仿真模拟及准静态单轴压缩实验，分析了此种点阵材料不同压缩方向的变形机制：三个方向的变形机制均为弯曲与拉伸联合主导；进行了准静态单轴拉伸和剪切有限元仿真模拟，发现宏观尺度下，此材料在压缩、拉伸和剪切工况下均没有尺寸效应。对比准静态压缩和拉伸有限元仿真模拟结果发现，GBCC-BCC点阵材料是一种拉伸/压缩不对称材料，且X/Y方向的拉压不对称程度与Z方向的拉压不对称程度不同，X/Y方向的拉压不对称性程度更大，拉伸和压缩工况下点阵材料的杨氏模量和屈服强度的变化量更多。 （2）将GBCC-BCC点阵材料准静态压缩工况下的力学性能，比刚度、比强度和比吸能与传统点阵材料BCC、FCC（FaceCenteredCubic）等进行比较，在相对密度为0.35时，其正则化杨氏模量与传统点阵材料FCC和BCC相比，正则化杨氏模量分别提高了32.90%和194.77%，比强度分别高46.27%，113.04%，比吸能比分别高118.27%和102.68%。对GBCC-BCC点阵进行了不同冲击速度下的动态压缩的有限元模拟，研究了点阵材料受动态载荷时的变形机制转变及其吸能特性。发现当达到临界冲击速度后，点阵材料的变形模式将从整体均匀变形变为逐层压溃，不同相对密度点阵材料Z方向动态压缩下的能量吸收能力均高于X/Y方向，且在临界速度之后，随着冲击速度的增加，两个方向的能量吸收能力差距逐渐减少。 （3）由于点阵材料在实际工程中的服役工况多为复杂应力状态，本文除对三种不同相对密度（25.39%，30.17%，35.25%）的点阵材料除进行了简单应力状态——单轴压缩、单轴拉伸、剪切有限元模拟之外，还进行了复杂应力状态——压缩-剪切复合加载有限元模拟，得到了GBCC-BCC点阵材料的初始屈服轨迹；对Ravi等提出的横观各向同性屈服准则进行了修正，并将模拟得到的数据点与修正后的横观各向同性屈服准则和现有经典屈服准则进行了对比，模拟所获得的初始屈服点均在理论屈服面附近，最大误差不超过10%，验证了本文所修正屈服准则的有效性。
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