机器学习驱动的增材制造与传统熔炼制备的 Al0.5CoCrFeNi 离散结构冲击响应

《International Journal of Impact Engineering》：Machine learning-driven impact response of discrete patterns of Al 0.5CoCrFeNi with additive manufacturing and traditional melting

　　

摘要

本研究通过设计三种变截面空心圆柱结构——锥形空心圆柱（THC）、网筋空心圆柱（WHC）和阶梯空心圆柱（SHC），研究了增材制造（AM）和传统熔炼（TM）Al0.5CoCrFeNi的力学行为。微观分析表明，增材制造材料由于高密度位错和亚晶界的存在，在准静态条件下表现出更强的变形抗力。然而，在高应变率下，传统熔炼材料显示出更显著的强化效果，导致其动态响应趋于收敛。此外，通过多应变率加载实验（0.001–2000 s?1），包括准静态压缩、分离式霍普金森压杆（SHPB）和直接冲击霍普金森压杆（DIHPB），并结合数值模拟，揭示了微观组织和几何形状对力学响应和吸能（EA）的协同作用机制。结果表明，WHC在所有应变率下均表现出优异的性能。与TM-HC相比，其在准静态条件下单位体积吸能增加了28.8%，在SHPB条件下增加了15.9%，比THC高出最多23.4%。基于参数数据集，随机森林和XGBoost实现了高精度正向预测（R2=0.967）和跨结构盲测。预测误差保持较低，XGBoost对SHC的EA误差低至1.79%。最后，构建并验证了一个基于16个闭环样本的性能驱动逆向估计框架，能够根据目标力学性能快速预测等效相对密度，并进行后续设计空间筛选。本研究为优化高熵合金吸能结构提供了一种高效的数据驱动范式。

引言

在航空航天、防护工程、轨道交通和先进设备领域，结构在高应变率冲击载荷下的吸能能力和失效模式直接决定了系统的安全性和可靠性[1]。与单纯追求高强度不同，冲击防护结构更注重在加载过程中实现可控变形、稳定承载和高效能量耗散[2]、[3]、[4]、[5]。然而，在高应变率条件下，材料的应变率敏感性、结构的几何非线性和惯性效应相互耦合[6]。这导致冲击响应表现出与准静态条件下显著不同的力学行为，对结构设计和性能预测提出了巨大挑战。

近年来，高熵合金凭借其多主元固溶体特性，在强塑性协调性、加工硬化能力和动态力学稳定性方面表现出显著优势，在冲击和防护工程领域受到了广泛关注[7]、[8]、[9]。其中，FCC高熵合金如Al0.5CoCrFeNi在宽应变率范围内表现出优异的断裂韧性和显著的应变率敏感性，被认为是潜在的抗冲击材料[10]。当前研究主要集中在材料水平上高熵合金的动态力学响应和本构行为，包括激光冲击、宽应变率压缩和弹道冲击实验[11]、[12]、[13]。在揭示其应变率效应和变形机制方面取得了显著进展。然而，大多数研究局限于原始材料或简化试样。随着增材制造技术的发展，高熵合金的3D打印为控制材料的微观组织和力学性能提供了新途径[14]、[15]、[16]。在静态和准静态加载条件下已展现出优异的力学性能[17]、[18]、[19]。然而，与传统熔炼高熵合金相比，3D打印材料在微观组织、缺陷特征和各向异性方面表现出显著差异。其在准静态和动态载荷，尤其是冲击条件下的力学响应和损伤机制仍缺乏系统性对比研究。

在结构吸能领域，薄壁结构因其轻量化、高吸能效率以及通过几何设计控制变形模式的能力而受到了广泛研究[20]、[21]、[22]。当前研究主要集中在冲击载荷下薄壁管[23]、泡沫材料、蜂窝结构和周期性晶格结构的力学响应和吸能特性。研究表明，多相耦合、几何诱导不稳定性以及仿生层次设计可以有效提高比吸能性能[24]、[25]、[26]。对圆柱配置的参数研究进一步揭示了几何参数与吸能性能之间的相关性[27]、[28]。然而，此类研究大多局限于传统金属材料或简化条件，对先进合金在高应变率条件下的应变率敏感性和动态变形机制关注不足。此外，尽管层次结构和变截面壁厚度设计已被用于增强圆柱壳的稳定性[29]、[30]，但高速冲击下的变形模式切换和失效演化过程仍缺乏深入了解。相比之下，针对冲击和高应变率条件下空心圆柱结构的系统性研究明显不足，其变形模式、吸能效率和失效机制的演化仍缺乏系统性实验数据和可靠模型支持。

另一方面，随着数据驱动方法的发展，机器学习被越来越多地应用于材料和结构设计中，以捕捉复杂非线性关系并实现多目标性能预测[31]、[32]、[33]。在正向性能评估中，Shen等人[34]和Rao等人[35]采用长短期记忆网络和非参数回归模型预测蜂窝结构的动态压溃响应和凹形蜂窝的力学参数，展示了处理高维几何特征和时间序列数据的强大能力。然而，这些研究主要局限于准静态或低速加载条件，对极端冲击下的应变率效应、惯性敏感性和瞬态波传播关注不足。在变形模式识别方面，Wu等人[36]使用随机森林和决策树算法对准静态加载下薄壁管的屈曲模式进行分类，突出了机器学习在提取拓扑敏感特征方面的有效性，但其在具有显著局部惯性效应的高速冲击下的适用性仍不清楚。在逆向设计方面，Wu等人[37]和Liu等人[38]将XGBoost与NSGA-II等多目标优化算法耦合，实现了晶格结构中比吸能和弹性模量的定向调节，而Liang等人[39]利用生成模型进一步增强了变刚度超材料的可编程性。尽管取得了这些进展，基于机器学习的现有研究主要关注准静态或低速加载条件下的蜂窝或晶格结构。然而，基于参数数值模拟数据研究薄壁吸能结构（特别是空心圆柱结构）高应变率冲击行为的研究仍非常有限。

基于上述研究背景，本研究建立了Al0.5CoCrFeNi空心吸能结构在宽加载速率范围内的材料-结构-数据一体化框架。首先，对增材制造（AM）和传统熔炼（TM）Al0.5CoCrFeNi的微观组织和力学响应差异进行了对比表征，为理解其结构响应提供了材料层面基础。其次，在准静态压缩、SHPB和DIHPB加载下研究了三种变截面空心圆柱（THC、WHC和SHC），阐明了几何构型和应变率相关材料行为对力学响应和吸能的耦合效应。第三，采用经实验验证的有限元框架构建了用于机器学习正向预测、跨结构评估和等效相对密度性能驱动估计的参数数据库。通过这一一体化框架，本研究将材料层面的微观组织特征与结构层面的冲击响应和数据驱动性能预测联系起来，从而将高熵合金吸能结构的设计与评估扩展至高应变率加载条件。

几何设计

为了系统研究高熵合金空心圆柱结构在准静态和冲击载荷下的力学响应和吸能特性，设计了三种具有代表性的空心圆柱结构。分别记为锥形空心圆柱（THC）、网筋空心圆柱（WHC）和阶梯空心圆柱（SHC）。三种结构均采用轴对称构型，外部轮廓尺寸保持一致。

AM/TM Al0.5CoCrFeNi的力学行为和微观组织

Al0.5CoCrFeNi的力学性能对其初始微观组织和施加应变率高度敏感。本节系统比较了在增材制造（AM）和传统熔炼（TM）制备的合金在准静态（0.001 s?1）和动态（2000 s?1）条件下的拉伸和压缩行为（如图5所示）。通过将应力-应变响应与通过SEM观察到的微观组织演化相关联（如图6所示）。

结论

本研究系统研究了多应变率加载条件下Al0.5CoCrFeNi空心圆柱结构的力学行为和数据驱动设计。主要结论如下：

增材制造所用材料具有高密度位错和亚晶界，导致其在准静态条件下的屈服强度显著高于TM材料。随着应变率的增加，传统熔炼材料

CRediT作者贡献声明

李家诗：撰写——初稿，验证，方法论，调查研究。陈宪新：验证，方法论，调查研究。张龙辉：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取，概念构思。姚晓虎：监督，经费获取，形式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究部分由国家自然科学基金（编号：12402455，A4250560）、广东省科学技术厅计划项目（编号：2023QN10H441）、广东省人才团队及创新创业计划重大人才项目资助（编号：B9250150）、国家爆轰物理与化学重点实验室（编号：JCKYS2024 212102）以及华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金（编号：2025ZYGXZR076）共同资助。

李家诗 | 陈宪新 | 张龙辉 | 姚晓虎

华南理工大学交通土木工程学院工程力学系，广东广州，510640，中华人民共和国