《Materials & Design》：On the compressive and flexural properties of additively manufactured 316?L stainless steel sheet-based spinodal, stochastic and periodic TPMS cellular metamaterials
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本研究系统地探究了采用激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术制备的316L不锈钢片基点阵超材料在压缩与弯曲载荷下的力学响应。研究中分别采用基于高斯随机场（GRF）的旋节分解方法、随机三周期极小曲面（TPMS）设计方法以及周期性TPMS设计方法构建了点阵结构。通
本研究系统地探究了采用激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术制备的316L不锈钢片基点阵超材料在压缩与弯曲载荷下的力学响应。研究中分别采用基于高斯随机场（GRF）的旋节分解方法、随机三周期极小曲面（TPMS）设计方法以及周期性TPMS设计方法构建了点阵结构。通过实验与数值模拟相结合的手段，系统评估了不同拓扑结构（Gyroid与Diamond）及相对密度（ρr）对压缩性能和弯曲性能的影响规律。研究结果表明，周期性TPMS结构在压缩和弯曲性能方面均优于随机结构；然而，随机结构表现出更渐进的损伤演化和更均匀的变形模式，赋予其更优的损伤容限。在随机结构中，基于TPMS的随机结构，特别是随机Gyroid结构，展现出优于基于GRF的旋节结构的力学性能。此外，数值模拟与实验结果在压缩和三点弯曲响应方面均表现出良好的总体一致性，验证了所建立数值模型的有效性。本研究为随机点阵超材料的设计与工程应用提供了重要的理论依据和设计指导。
**论文解读：增材制造316L不锈钢片基点阵超材料的压缩与弯曲性能研究**
**一、研究背景与现存问题**
点阵结构是由杆件、片体或壳体在三维空间中周期性或随机性连接而成的复杂网络，其功能特性由相对密度（ρr）、表面积与体积比、长度尺度及形状等拓扑参数控制。这类轻质结构凭借优异的力学性能，在汽车、航空航天、医疗及安全防护等工程领域具有广泛应用。周期性点阵结构展现出卓越的力学能力，但其性能受限于制造缺陷和各向异性行为——制造不一致性和材料不规则性常导致缺陷产生，显著影响结构性能；同时，周期性排列的系统性布局使得力学性能随加载方向变化。这些局限性制约了周期性结构在需要各向同性力学行为且加载方向不确定的场景中的应用。相比之下，随机点阵结构因其随机架构而提供各向同性特性，且对缺陷敏感性较低，其各向同性行为源于类似多晶材料随机取向晶粒的宏观各向同性特性，而缺陷不敏感性则源于分散化的局部失效机制。
旋节分解过程可生成随机点阵结构，通常采用相场方法或高斯随机场（GRF）方法设计。三周期极小曲面（TPMS）也可用于生成随机点阵结构，相较于旋节方法，TPMS方法通过控制点划分设计域并在各分区内引入不同拓扑的TPMS点阵，实现了对拓扑和随机性的更优控制。尽管已有研究分别考察了基于GRF的旋节结构和随机TPMS结构，但针对增材制造316L不锈钢点阵超材料，系统比较其与周期性TPMS架构在压缩和弯曲行为方面的差异，特别是针对增材制造样品的系统研究仍属空白。鉴于大多数研究聚焦于周期性点阵结构，亟需对随机点阵结构进行全面深入研究，尤其是采用TPMS拓扑设计的随机结构。
**二、研究内容与结论概述**
研究人员针对上述问题，采用基于TPMS的随机设计方法和基于GRF的旋节设计方法生成了片基随机点阵结构，利用激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术以316L不锈钢为基材制备样品，并通过实验与数值模拟相结合的手段，系统评估了周期性和随机点阵结构在单轴压缩和三点弯曲加载下的力学响应。研究得出以下主要结论：周期性TPMS结构通常比随机结构具有更高的压缩和弯曲性能；随机结构表现出更渐进的损伤演化和更均匀的变形模式，从而具有更高的抗局部失效能力；随着相对密度增加，随机TPMS架构特别是随机Gyroid结构可实现与周期性TPMS结构相当的力学性能；在随机结构中，TPMS基随机结构普遍优于GRF基旋节结构。该研究发表于《Materials》期刊，为随机点阵超材料的设计提供了重要指导。
**三、主要关键技术方法**
本研究采用的主要技术方法包括：（1）有限元分析（FEA）方法，在Abaqus/Explicit平台中采用Johnson–Cook（JC）塑性与损伤模型模拟基材316L不锈钢的力学行为，开展准静态单轴压缩和三点弯曲数值测试；（2）增材制造技术，采用EOS M290金属3D打印系统，利用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备随机点阵立方样品（尺寸40×40×40 mm3）和梁结构样品（尺寸120×40×40 mm3）；（3）显微计算机断层扫描（micro-CT）技术，使用GE Phoenix Nanotom M系统表征打印样品的微观结构，识别制造缺陷；（4）力学测试方法，采用MTS E45试验机（300 kN载荷传感器）进行位移控制单轴压缩试验，采用Instron 5980 Series UMTS系统（100 kN载荷传感器）进行三点弯曲试验。样品基材为316L不锈钢粉末，粉末粒径范围为15至53 μm。
**四、研究结果**
**4.1 微观结构分析**
打印后样品的实测ρr均高于设计ρr，其中S-Diamond结构偏差最大（因其表面积更大和结构更复杂），其次为GRF和S-Gyroid。结构几何复杂度和表面积越高，设计与实测ρr之间的偏差越大。随着ρr增加，所有拓扑的实测与设计ρr百分比差异均减小。micro-CT扫描图像显示制造缺陷（包括断连、未熔粉末颗粒和截留粉末区域）总体较少，表明这些随机点阵材料具有良好的可打印性。
**4.2 压缩性能**
有限元分析结果表明，周期性TPMS结构的应力-应变响应在所有ρr下均优于随机结构。周期性结构中P-Diamond在所有ρr下均优于P-Gyroid。TPMS基和GRF基随机结构展现出相似的应力-应变响应。Gibson-Ashby拟合分析表明，周期性和随机结构在弹性区域的指数n介于1和2之间，呈现拉伸与弯曲混合主导的变形行为，其中随机结构的拉伸主导程度低于周期性结构。von Mises应力和等效塑性应变云图显示，周期性结构呈现更均匀的应力分布，这解释了其更优的应力-应变性能；随机结构在各应变水平下损伤程度更高，且损伤在整个结构中起始并扩展，而周期性结构中损伤局域化于特定区域。实验结果表明，随机结构因制造缺陷和局部应力集中而在多个分散位置产生结构损伤，引发渐进式变形，损伤仅局限于缺陷周围而不向邻近区域扩展，这与周期性结构通过剪切带发展或逐层坍塌的变形行为不同，解释了随机结构更优的损伤容限。实验与数值结果总体吻合良好，实验弹性模量与数值结果存在差异，但屈服强度和平台强度基本相当。
**4.3 弯曲性能**
数值分析表明，周期性梁的弯曲应力-应变行为优于随机梁，但周期性梁的损伤演化速度远快于随机梁。所有随机梁设计（无论TPMS基或GRF基）展现出相似的弯曲应力-应变行为。S-Gyroid梁的弯曲模量和弯曲强度略高，而GRF梁因损伤演化较慢而表现出更大的弯曲韧性。周期性梁的弯曲性能优于随机梁，但能量吸收能力几乎相当。损伤云图显示，所有梁的损伤均起始于跨中区域，但周期性梁中损伤近乎直线向加载辊扩展，而随机梁中损伤扩展路径呈非线性。实验与数值结果的弯曲性能总体一致性良好，但S-Diamond梁和GRF梁的弯曲行为存在轻微差异。
**五、讨论与结论**
周期性TPMS结构通常具有更高的压缩和弯曲性能，但随机结构展现出更渐进的损伤演化和更分散的变形模式，赋予其更高的损伤容限。随机TPMS架构特别是随机Gyroid在较高相对密度下可实现与周期性TPMS结构相当的力学性能，表明其作为结合竞争性结构效率与改善各向同性和增强损伤容限优势的可行替代方案。在随机架构中，TPMS基随机结构的压缩和弯曲性能普遍优于GRF基旋节结构。周期性和随机点阵结构在弹性和塑性区域均表现出混合变形模式，其中随机结构的拉伸主导程度低于周期性结构。数值与实验结果在压缩和三点弯曲响应方面总体高度一致，验证了所开发数值模型预测所考察点阵结构力学行为的能力。研究结果表明，随机TPMS设计方法通过提供改进的力学性能和更大的结构灵活性，为传统GRF基旋节设计方法提供了有效替代方案。这些发现为随机点阵超材料的发展提供了有用的设计见解，并强调了拓扑和设计方法对增材制造随机结构力学性能的影响。
