轨道车辆轻质三维点阵材料拓扑优化、形性调控与迁移应用

　　为了提高载运装备的被动安全防护性能并兼顾结构轻量化，多孔材料是一种理想的填充方式。与传统的无序泡沫材料相比，点阵材料因其规则的单胞排列而成为研究热点，其轻质量、高强比、高韧性、抗冲击和比吸能等特性，在轨道交通、航空航天、船舶汽车以及其他工程领域具有广泛的应用前景。基于此，申请人一直从事列车结构耐撞性与轻量化设计研究，致力于不同尺度下的材料结构吸能一体化设计基础研究与工程应用，取得了较好的研究成果。

　　申请人基于混合元胞自动机(hybrid cellular automata，HCA)拓扑优化算法，以比吸能量为目标和质量分数为约束，提出了适应于冲击载荷的类墨鱼骨点阵(Cuttlebone-like lattice, CLL)单胞(图2(a))，兼具大刚度(提升141.96%)和高比吸能(提升174.06%)特性，分析了胞壁材料和质量分数对拓扑结果的影响，研究了冲击载荷作用下点阵材料的变形行为、损伤机制和力学特性，拟合了其相对压溃强度、相对弹性模量与相对密度之间的Gibson-Ashby幂律。通过选择性激光熔融3D打印技术，以镍基合金粉末为基体材料，解决了复杂拓扑结构增材制造支撑去除难题，实现了均匀和梯度类墨鱼骨点阵材料的制备，获得了3D打印镍基合金材料本构关系，借助数字图像相关法和扫描电子显微镜从介观和微观等尺度表征了均匀和梯度类墨鱼骨点阵材料的压溃机制，揭示了均匀和梯度类墨鱼骨点阵材料的变形模式、力学性能和能量吸收，对比了类墨鱼骨点阵材料和体心立方点阵材料的形性特征，验证了以功能为导向的点阵材料巨大优势，进一步以晶体“顶点-边中-面心”为要素提出了七种点阵单胞拓扑构型(图2(b))，为丰富点阵材料数据库指明了方向。

　　申请人结合3D打印技术，采用AlSi10Mg铝合金粉末为原料，制备了3D打印试样。通过改变打印速度研究了打印参数对材料合金密度、合金空隙率、显微组织、硬度的影响。结果证明：当打印速度为1m/s时，材料的密度较高，孔隙率较低，显微组织较为平整，硬度较高，为最佳的打印参数。采取11种不同的热处理方式对3D打印AlSi10Mg合金材料进行热处理，并从显微组织、XRD物相、硬度、力学性能等方面对热处理后的试样进行研究。结果表明：热处理工艺能够提高原始态AlSi10Mg合金材料的塑性，方案：500℃保温2h，水淬(60-100℃水温);后160℃保温6h，空冷的热处理方式能提高原始态AlSi10Mg合金材料的综合力学性能，是一种较佳的热处理方法。设计了一种仿莲藕耦根的类沙漏点阵结构(图2(c))，沙漏型点阵结构在准静态压缩实验过程中表现出上中下三阶段变形过程。变形过程中结构能沿着梯度层层收缩，发生可控有序的形变，可以起到良好的吸能效果，基于超折叠单元塑性变形建立的理论预测模型能很好的用于预测该结构的平均压溃力。以边长比、胞元高度和胞元数为结构参数，开展了该沙漏形点阵结构的准静态压缩性能研究，结构参数中的边长比和胞元高度变化对沙漏形点阵结构的耐撞性能影响较为显著，受压缩载荷的点阵结构耐撞性能受边长比参数影响较大。

　　申请人基于轻量化设计理念，结合稳定性优良的平顶金字塔，设计了新型的四棱台点阵结构(图2(d))，建立了其平均压溃力理论预测模型，通过AlSi10Mg铝合金粉末选择性激光熔融制备得到了材料样品。开展了四棱台点阵结构面外准静态和冲击实验，提出了理论预测模型修正系数，对四棱台点阵结构胞元的数量、高度和边长进行了参数化研究，发现相比胞元数量，边长比和胞元高度对该点阵结构在面外压缩下的吸能特性影响更显著。分析了面外偏置载荷的偏置比对该点阵结构的耐撞性能，发现偏置载荷下的力随位移变化也能维持较小波动。力位移曲线平稳指标最大值不超过0.20，且25%重叠比偏置载荷下的力-位移曲线平稳指标具有明显较高值，重叠比为40%和60%的偏置载荷单位重叠量吸能最多。通过对四棱台点阵结构开展面内准静态压缩实验，并与工程常用普通多胞管和性能较好的带折纸图案的多胞管结构进行面外和面内的准静态压缩对比分析。此外，开展了四棱台点阵结构在面内压缩下的参数化分析，对比分析了四棱台点阵结构面外和面内准静态压缩的参数灵敏度。研究表明，承受面内压缩载荷的点阵结构耐撞性能受参数影响相比面外压缩大，其耐撞性能对结构参数中的边长比最为敏感。

　　对比研究;(c)自然仿生沙漏型点阵材料;(d)三维四棱台点阵材料。

　　为了同时满足轻量化以及被动安全防护的要求，申请人面向轨道车辆设计了点阵填充金属/碳纤维混合结构(图3)并研究了其力学特性，进一步将复合材料与新型点阵结构应用于传统轨道车辆防爬装置中。研究了钢/碳纤维混合管的准静态轴压工况下的力学性能，试验与仿真的对比结果表明两者之间的误差小于6%。使用该有限元模型对钢/碳纤维厚度比(HR)以及碳纤维铺层角度(HA)对混合管性能的影响进行了研究。与平顶金字塔结构相比，SEA提升了24%，具有更优秀的吸能能力。使用参数化建模的方式研究了HQLS点阵填充钢/碳纤维混合管的几何参数对其吸能能力的影响。揭示了钢与碳纤维的厚度比(HR)，点阵结构的单胞高度(LH)，以及胞元的壁厚(LT)对复合结构吸能能力的影响。最后，申请人对标了冲击工况下HQLS填充钢/碳纤维混合管的仿真与试验结果，构建了精度较高的冲击有限元模型，将填充HQLS点阵的钢/碳纤维混合管结构应用于方锥式防爬器中。采用拉丁超立方实验设计方法，研究了点阵壁厚、点阵孔径比、钢/碳纤维厚度比、纤维铺层角度对新型吸能防爬结构力学性能的影响。为实现SEA最大化的同时最接近传统方锥管吸能均值力的要求，在响应面的基础上使用GRSM方法寻找最优解。最优解结构比吸能较传统列车防爬器提高35.74%，均值力间误差为1.24%。

　　研究成果以一作发表在SCI期刊International Journal of Mechanical Sciences、Scripta Materialia、Mechanics of Materials、European Journal of Mechanics-A/Solids等并申请/授权国家专利2项，被香港中文大学工学院副院长廖维新教授(Smart Materials and Structures副主编)、新加坡南洋理工大学V.P.W.Shim教授(International Journal of Impact Engineering副主编)、德国亚琛工业大学Kai-Uwe Schröder教授、澳大利亚墨尔本大学Eureka Prize获得者Tuan Ngo教授等团队引用。其中Ngo教授在中科院Top期刊International Journal of Mechanical Sciences采用两个专属整段正面评价“Yang和Li以最大吸能量为目标函数设计了一种先进的点阵材料，使其具备高能量吸收率。”此外，申请人提出的以功能导向为目标的结构拓扑/尺寸优化设计理念已被迁移应用于国家重点研发计划课题(“碳陶制动盘功能一体化设计与紧固连接关键技术”)，提出了“力-热-流”耦合作用下的碳陶复合材料制动盘盘体初始拓扑构型并制备了样件，通过400 km/h制动台架试验验证了拓扑优化制动盘的良好散热性能。