《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》：Investigating Fracture Behavior of Lattice Structures Using the XFEM and Equivalent Solid Material Model Techniques
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本研究旨在数值研究增材制造的可降解生物塑料聚乳酸（PLA）点阵试样的I型、II型和III型断裂行为。研究人员基于提取的PLA力学和断裂材料性能，采用扩展有限元法（XFEM）进行数值模拟。在三维（3D）数值分析中，利用最大主应力和断裂能幂律准则来模拟损伤起始和演
本研究旨在数值研究增材制造的可降解生物塑料聚乳酸（PLA）点阵试样的I型、II型和III型断裂行为。研究人员基于提取的PLA力学和断裂材料性能，采用扩展有限元法（XFEM）进行数值模拟。在三维（3D）数值分析中，利用最大主应力和断裂能幂律准则来模拟损伤起始和演化。为考虑构建方向的影响，研究人员采用了横观各向同性弹性模型（TIEM）。为便于XFEM分析，还使用了等效固体材料模型（ESMM）技术。研究人员进行了对称和不对称四点弯曲下单边缺口弯曲试样的实验载荷-位移响应以及III型横向剪切裂纹板试验，分别与I型、II型和III型断裂的XFEM分析结果进行比较。通过公共校准因子以及同时使用TIEM模型、XFEM和ESMM技术，数值结果与实验结果相比具有可接受的精度；I型、II型和III型试样的刚度（峰值载荷）差异分别为5.3%（3.4%）、4.4%（5.8%）和9.6%（5.4%）。
**论文解读：基于XFEM和等效固体材料模型技术的点阵结构断裂行为研究**
**研究背景与问题**
点阵结构因其高设计灵活性，在能量吸收等工业应用中具有显著优势。然而，其复杂构型限制了传统制造方法的应用，增材制造（AM）为复杂点阵结构的制备提供了可行方案。随着点阵结构在多种载荷（如准静态和疲劳）下的广泛应用，其断裂行为（如裂纹扩展）成为研究重点。现有文献对增材制造聚合物点阵结构的I型、II型和III型断裂行为缺乏全面的数值研究，尤其是构建方向对断裂性能的影响尚未被充分探讨。因此，本研究旨在通过数值方法系统研究面心-简单立方（FSCC）点阵结构在不同构建方向下的I型、II型和III型断裂行为，以填补该领域的研究空白。
**研究内容与结论**
研究人员Paygozar和Gorguluarslan采用扩展有限元法（XFEM）结合等效固体材料模型（ESMM）技术，对增材制造聚乳酸（PLA）FSCC点阵试样进行了三维数值模拟。通过引入横观各向同性弹性模型（TIEM）考虑构建方向的影响，并利用最大主应力准则和断裂能幂律准则模拟损伤起始与演化。数值结果与单边缺口弯曲（SENB）和横向剪切裂纹板（TSCP）实验数据对比表明，经过公共校准，数值预测与实验结果的刚度（峰值载荷）差异分别为I型5.3%（3.4%）、II型4.4%（5.8%）和III型9.6%（5.4%），验证了所提出方法的有效性。该研究为预测点阵结构断裂行为提供了高效数值框架，有助于设计更耐损伤的增材制造结构，论文发表在《Fatigue》。
**关键技术方法**
主要关键技术方法包括：扩展有限元法（XFEM）用于模拟裂纹扩展；等效固体材料模型（ESMM）简化点阵结构数值分析，降低计算成本；横观各向同性弹性模型（TIEM）考虑构建方向对材料性能的影响；基于最大主应力（MaxPS）准则和断裂能幂律准则的损伤起始与演化模拟；以及通过实验-数值对比进行的材料属性校准过程。样本材料为Porima3D提供的PLA，采用熔丝制造（FFF）工艺制备，工艺参数见表1。
**研究结果**
**4.1 Mode I Fracture**
通过三维数值模拟，对FSCC点阵SENB试样进行I型断裂分析。经校准，数值结果与实验的刚度和峰值载荷差异分别为5.3%和3.4%。
**4.1.1 Calibration of Material Properties**
研究人员逐步调整弹性模量、屈服强度和断裂能，与实验曲线匹配，最终得到校准后的材料属性（表3），其中弹性模量通过因子0.15缩减，屈服强度为8 MPa，断裂能为3 N/mm。
**4.1.2 Fracture Behavior**
数值分析显示裂纹垂直向上扩展，与实验观察一致（图6）。
**4.2 Mode II Fracture**
对FSCC点阵SENB试样进行II型断裂模拟。校准后，数值与实验的刚度和峰值载荷差异分别为4.4%和5.8%。
**4.2.1 Calibration of Material Properties**
通过增加屈服强度至12 MPa和断裂能至5 N/mm，使数值曲线与实验的初始线性段一致，忽略局部变形导致的第二线性段，最终校准属性见表4。
**4.2.2 Fracture Behavior**
数值分析显示裂纹向加载点对角方向扩展，与实验观察一致（图8）。
**4.3 Mode III Fracture**
对FSCC点阵TSCP试样进行III型断裂模拟。校准后，数值与实验的刚度和峰值载荷差异分别为9.6%和5.4%。
**4.3.1 Calibration of Material Properties**
通过调整弹性模量缩减因子至0.2、屈服强度至6 MPa，使数值线性段斜率与实验匹配，校准属性见表5。
**4.3.2 Fracture Behavior**
数值分析显示裂纹沿预期方向扩展，与实验观察一致（图10）。
**讨论与结论**
讨论部分未在原文中单独列出，但结论部分总结了研究核心发现。**结论**：本研究通过三维XFEM数值分析，结合公共校准和TIEM、ESMM技术，成功预测了FSCC点阵试样在I型、II型和III型断裂下的裂纹扩展和断裂行为。校准结果表明，对于I型和II型，固体试样弹性属性缩减因子为0.15，III型为0.2，并经微调后获得合适数值响应。数值与实验结果的刚度（峰值载荷）差异分别为I型5.3%（3.4%）、II型4.4%（5.8%）和III型9.6%（5.4%），验证了方法的可靠性。
