使用扩展有限元方法（XFEM）对增材制造模型中的裂纹扩展进行实验和数值研究

《International Journal of Polymer Analysis and Characterization》：Experimental and numerical investigation of crack propagation in additively manufactured model using extended finite element method (XFEM)

增材制造中的SLA树脂断裂力学特性研究通过ASTM D5045标准实验和XFEM数值模拟验证，发现局部强度在缺口处骤降至17 MPa（基体强度46 MPa），强度减少因子达2.7，SEM和FTIR证实脆性断裂源于致密交联网络及裂纹在体素阶跃处萌生。

　　

伊科·尤斯万达（Ikko Yuswanda）、奥沙夫·米什巴胡丁·穆瓦法克（Aushaf Mishbahuddin Muwaffaq）、努格罗霍（Gesang Nugroho）、穆罕默德·阿克辛·穆夫利胡恩（Muhammad Akhsin Muflikhun）

印度尼西亚日惹加查马达大学（Universitas Gadjah Mada）机械与工业工程系

摘要

本研究通过结合基于ASTM D5045标准的实验研究，利用扩展有限元方法（XFEM）对立体光刻（SLA）树脂的断裂力学特性进行了分析。尽管SLA具有高精度，但诸如体素步进效应等几何不连续性往往导致材料整体性能不足以预测带缺口部件的失效情况。对六个打印样品进行的压缩拉伸（CT）测试结果显示，其平均条件断裂韧性为 $(K_Q$，变异系数（CV）仅为5.15%，表明工艺重复性较高。数值XFEM模型与实验数据高度吻合，预测的断裂韧性为 ${0.79}^{\pm }12$，偏差仅为3.8%。主要研究发现：缺口尖端的有效局部强度显著下降至17 MPa，而材料的整体抗拉强度为46 MPa，这表明由于打印微缺陷处的应力集中，材料的强度降低了约2.7倍（即强度降低因子SRF约为2.7）。此外，扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实，失效过程属于脆性断裂机制，由密集的交联网络和体素台阶处的裂纹萌生所驱动。