金属仿生互锁结构：几何设计和断裂性能分析

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金属仿生互锁结构：几何设计和断裂性能分析

来源：凯尔测控试验系统（天津）有限公司 2024年04月15日 15:25

通过对界面的合理几何设计，缝合结构可具有远超组分材料的断裂性能。现有研究表明，具有互锁界面的缝合结构展现出优异的断裂韧性。AlSi₁₀Mg具有良好的导热性、耐腐蚀性等优点，广泛应用于航空航天领域。来自北京理工大学的廖海涛团队开展AlSi₁₀Mg紧凑拉伸试样的断裂实验和数值模拟，研究互锁界面的几何参数对互锁结构断裂性能的影响。

本文利用激光熔融方法制备了三种不同互锁几何参数的紧凑拉伸试样（图1），并对互锁界面进行抛光处理和几何拼接，以减小表面粗糙度对断裂性能的影响。互锁几何参数间遵循图2的设计关系。

图3表明，随着互锁角度的减小，数值模拟数据与实验数据的差异性越大。这可能是由于互锁齿根部的局部失效影响逐渐显著（图4）。DIC结果显示，随着互锁角度减小，结构在互锁齿根部产生较大应变，并向内部扩展（图5）。在此过程中，互锁齿产生损伤，消耗了更多的能量，提高了结构的断裂强度。

本文采用裂尖张开位移来表征互锁结构的断裂性能。控制互锁角度和齿高不变，互锁齿的宽度越小，承载能力越低，结构越易发生断裂（图6），而互锁齿宽度越大，齿数明显减少，界面处的相互作用减弱，结构的断裂性能降低。控制互锁角度和齿宽不变，互锁齿的高度越大，结构的互锁程度越大，界面处的相互作用增强，但互锁齿根部承载能力无法匹配结构的承载能力，从而无法显著提升结构的断裂性能（图7）。

本文研究了互锁结构的互锁角度、齿高、齿宽对结构断裂性能的影响，结果表明，随着互锁角度的减小，互锁结构的失效形式从互锁齿的断裂转变为界面处的摩擦，齿高和齿宽在一定范围时能显著提高结构的断裂性能。后续可将本文所研究的反梯形互锁结构扩展至梯形、三角形等互锁结构。

图1 含互锁界面缝合结构的紧凑拉伸试样

图2 互锁几何参数间的设计关系

图3 CT试样力-位移曲线的实验与数值模拟结果对比

图4 CT试样断裂情况的实验与数值模拟结果对比

图5 CT试样断裂时应变的DIC结果

图6 不同齿宽对互锁结构断裂性能的影响

图7 不同齿高对互锁结构断裂性能的影响

文章以“Bio-inspired, metal additive manufacturing interlocked structures: Geometrically design and fracture performance analysis”为题，发表于Composite Structures。

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