《International Journal of Impact Engineering》：High strain-rate failure mechanisms of additively manufactured IN718 Gyroid structures: Experiments and numerical insights
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基于三周期极小曲面（TPMS）的架构材料，如Gyroid结构，因其可定制的力学性能和轻量化设计，在航空航天、国防和生物医学领域的能量吸收应用中具有前景。然而，它们在高应变率加载下的变形和失效机制仍未被充分表征，特别是关于制造缺陷和应变率敏感性对损伤局部化的影响
基于三周期极小曲面（TPMS）的架构材料，如Gyroid结构，因其可定制的力学性能和轻量化设计，在航空航天、国防和生物医学领域的能量吸收应用中具有前景。然而，它们在高应变率加载下的变形和失效机制仍未被充分表征，特别是关于制造缺陷和应变率敏感性对损伤局部化的影响。本研究研究了选择性激光熔化（SLM）IN718 Gyroid结构在准静态（ε?=0.008 s-1）和高应变率（ε?=400 s-1和ε?=550 s-1）压缩加载下的变形和失效机制。研究方法整合了液压机和分离式霍普金森压杆（SHPB）测试，通过数字图像相关法（DIC）和有限元模拟进行分析，使用弹塑性约翰逊-库克（Johnson–Cook）本构模型建立理想性能基线。识别出五个不同的力学阶段，将应力-应变响应与结构的物理演化相关联。定量结果表明，动态加载使峰值后力下降从27.1%增加到33.6%，突显了由惯性效应驱动的更早的损伤起始。此外，数值-实验比较揭示了动态测试中约17%的能量吸收缺陷，说明了理想拓扑结构与相应SLM制造试样之间的性能差距。这些见解为优化策略以增强动态能量耗散建立了框架。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
随着高速度冲击技术的发展，防护材料与系统需不断进步。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术能够制造复杂多尺度结构，使基于三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）的架构材料（如Gyroid结构）成为能量吸收应用的理想候选，因其可定制的力学性能和轻量化特点，在航空航天、国防和生物医学领域潜力巨大。然而，现有研究主要集中于准静态（Quasi-static, QS）加载下的力学行为，对高应变率（High Strain-rate, HSR）动态条件下TPMS结构的变形与失效机制认识不足。关键局限在于，当前动态研究几乎完全依赖理想化数值模型，无法解耦实际制造缺陷（如表面粗糙度、壁厚变化）与惯性效应（Inertia Effects）在高速冲击下的相互作用。因此，研究人员开展此研究，旨在通过实验与数值相结合的方法，系统揭示选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）制造的IN718 Gyroid结构在准静态与高应变率压缩下的变形与失效机制，为优化动态能量耗散提供框架。
**研究内容与结论**
研究人员对SLM IN718 Gyroid结构（相对密度约20%，单元尺寸3.75 mm）进行了准静态（ε?=0.008 s
-1）和高应变率（ε?=400 s
-1和ε?=550 s
-1）压缩实验，结合数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC）和有限元（Finite Element, FE）模拟，使用无损伤的Johnson–Cook（JC）本构模型作为理想基线。通过对比实验与数值结果，定量评估了制造缺陷对能量吸收性能的影响。研究表明，Gyroid结构在动态加载下表现出更早的损伤起始和更严重的应力下降，能量吸收缺陷约17%，揭示了理想拓扑与实际SLM制造结构之间的性能差距。该工作为优化增材制造工艺、提升动态能量耗散能力提供了理论依据。论文发表在《International Journal of Impact Engineering》。
**关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
1. **分离式霍普金森压杆（SHPB）**：利用铝制压杆（直径80 mm）实现高应变率压缩（ε?=400 s
-1和550 s
-1），通过脉冲整形器（铅盘）促进机械平衡，并采用一维波传播理论计算力与位移。
2. **数字图像相关法（DIC）**：在准静态和动态实验中，使用高速相机（Shimadzu HPV-X2）和局部/全局DIC算法（基于LabVIEW和MATLAB开发）跟踪应变局部化与剪切带传播。
3. **有限元模拟（FE）**：采用Altair OpenRadioss显式求解器，使用QEPH壳单元（约130万单元）离散Gyroid几何，基于Johnson–Cook塑性本构模型（参数取自IN718拉伸试验并考虑薄壁效应折减20%）模拟理想无缺陷结构。
4. **数字光学显微镜（DOM）**：使用Keyence VHX-S15H对SLM试样进行表面形貌和壁厚测量，量化制造缺陷（如壁厚偏差、未熔粉末）。样本来源：法国巴黎综合理工学院力学实验室（Laboratoire de Mécanique des Solides, CNRS, école polytechnique）和格勒诺布尔大学3SR实验室（Laboratoire 3SR, Université Grenoble Alpes）。
**研究结果**
**3.1 低应变率实验（ε?≤100 s
-1）**
通过液压机压缩实验和DIC分析，研究人员识别出五个不同的力学阶段：弹性变形、屈服与硬化、屈服后过渡、结构坍塌、密实化。应力-应变曲线表现出良好重复性，DIC分析揭示了结构各向异性（Anisotropy）：在XZ平面测得表观泊松比ν?
XZ=0.28，而在YZ平面测得ν?
YZ=0.43，接近准不可压缩极限。应变局部化主要发生在均匀密度中心区域，验证了双梯度几何（Dual-gradient Geometry）在消除边界效应方面的有效性。Gibson-Ashby图（ρ
*-SEA）比较表明，金属TPMS结构在能量吸收方面优于传统骨架和蜂窝结构。
**3.2 高应变率实验（ε?≥10
2 s
-1）**
SHPB实验（ε?≈400 s
-1和550 s
-1）显示，动态加载下，全局力学响应（输出力-位移）在早期阶段（至第二剪切带形成）与准静态相似，但增大了初始刚度并提高了硬化阶段的力水平。惯性效应延迟了局部壁屈曲，导致能量积累增加，促使更早的损伤起始：峰值后力下降从准静态的27.1%增至动态的33.6%。然而，比能量吸收（Specific Energy Absorption, SEA）在动态条件下升高（从11.290 J/g增至11.645 J/g），表明结构效率增加。失效模式从准静态的渐进塑性屈曲与层状压实，转变为动态的局部宏观剪切开裂与碎片化（沿45°对角线）。
**3.3 数值模拟**
有限元模拟（ε?=400 s
-1和550 s
-1）采用无损伤Johnson–Cook模型，成功捕捉了弹性区和预失效硬化阶段的力学响应，但无法复现实验中的峰值后力下降和剪切断裂。数值-实验对比显示，能量吸收缺陷分别为17.77%（ε?=400 s
-1）和16.94%（ε?=550 s
-1），代表理想几何与SLM实际结构之间的性能差距。敏感性分析表明，自接触摩擦系数（0.1–2.0）和上板角度偏差（±1°）对全局响应的影响极小（标准偏差<0.38%），证实拓扑结构是变形的主导因素。
**讨论与结论**
研究人员在总结部分指出，低应变率下Gyroid结构表现出五个力学阶段，DIC揭示了结构各向异性，且双梯度几何有效抑制了边界效应。Gibson-Ashby分析确认TPMS结构在能量吸收方面优于传统晶格。剪切带起源于密度梯度界面并呈交叉形传播，其形成归因于几何与制造缺陷（如SLM固有的残余孔隙率和表面粗糙度）。高应变率实验显示，尽管动态加载增强了结构刚度，但惯性效应延迟了屈曲，导致能量积累和更早的损伤起始，表现为更严重的应力下降（从27.1%升至33.6%），但整体SEA有所提高。数值模拟准确捕捉了弹性与早期硬化区域，但能量吸收缺陷（约17%）量化了制造缺陷造成的性能损失。该模型被有意用作理想无缺陷基线，从而将能量耗散损失归因于实际制造缺陷（如壁厚偏差、未熔粉末）。研究结论强调，应系统研究制造工艺参数（如构建方向、扫描速度、热处理和表面后处理）以控制失效机制，优化能量吸收性能。未来工作将聚焦于优化架构材料，以提升整体力学耐久性并缓解潜在失效模式。
