双层锥壳与环形板耦合结构的设计、制备及压缩性能研究

为解决航空航天、桥梁工程等领域中轻量化高强结构的压缩性能不足问题，研究人员采用光固化(Vat photopolymerization)技术一体化制备双层锥壳与环形板耦合结构(CSDCSAP)，通过实验与数值模拟结合的方法系统分析了环形板数量、厚度、位置及锥角等参数对结构峰值力、压缩模量和吸能特性的影响。研究发现环形板居中布置时比上下位配置吸能值提升22.4%-31.6%，比吸能达0.66 J/g，为轻量化抗冲击结构设计提供了理论依据。

　　

在火箭发动机喷管、大型体育场馆屋顶等工程结构中，双层锥壳与环形板耦合结构(CSDCSAP)因其优异的轻量化特性和多向载荷传递能力备受青睐。然而传统焊接或螺栓连接的CSDCSAP在突加载荷下易出现承载能力骤降，甚至引发安全事故。这一痛点促使研究人员探索更高效的一体化制备工艺和性能优化方案。

山东某高校团队在《Materials Today Communications》发表的研究中，创新性地采用光固化(Vat photopolymerization)3D打印技术实现CSDCSAP结构整体成型，通过实验测试与有限元仿真相结合的方法，系统研究了环形板参数（数量、厚度、位置）、锥角α以及纵向板数量对结构压缩性能的影响规律。该研究首次揭示了3D打印一体化CSDCSAP的失效机制与性能调控原理。

关键技术方法包括：1）基于参数化建模设计不同锥角α（20°基准）和环形板配置的CSDCSAP三维模型；2）采用光固化技术制备试样，设置环形板厚度h=2mm等基准参数；3）通过准静态压缩试验获取载荷-位移曲线；4）建立有限元模型验证实验数据并扩展参数研究。

几何设计
结构由内外锥壳和环形板构成，定义锥角α、基圆半径R₀
(20mm)、R₁
和斜高L(37.25mm)等关键尺寸参数。计算表明环形板居中布置时能均衡分配应力，为后续性能优化奠定基础。

结果与讨论
研究发现：环形板数量与厚度增加可使峰值力提升15%-28%，压缩模量提高12%-19%；锥角α增大导致峰值力下降但比吸能(SEA)上升，20°锥角结构在环形板居中时达到最优SEA值0.66 J/g，较上下位配置提升20%-34.7%。有限元分析揭示环形板位置改变会引发屈曲模式从整体失稳向局部褶皱转变。

结论
该研究证实3D打印一体化成型能显著提升CSDCSAP结构完整性，环形板参数与锥角的协同调控可使比吸能提升超30%。特别值得注意的是，居中布置的环形板通过优化应力传递路径，使能量吸收值达到7.16 J/g，较传统布局提升22.4%-31.6%。这些发现为航空航天等领域轻量化抗冲击结构设计提供了重要理论支撑，同时拓展了光固化技术在复杂结构制造中的应用边界。研究还指出，未来可通过引入功能梯度材料(FGM)进一步优化结构的能量耗散机制。