从优惠券到完整的组件：预测复杂Ti-6Al-4V支架的断裂行为

《Additive Manufacturing》：From coupons to full-scale components: predicting fracture in complex Ti-6Al-4V brackets

　　

摘要

本研究探讨了采用传统加工方法无法制造的复杂Ti-6Al-4V夹具的机械性能。这些夹具的设计旨在研究应力状态和孔隙存在对这种可通过增材制造技术制造的复杂多部件组件的结构和断裂行为的影响。我们使用了一种依赖于孔隙大小的莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）模型来计算断裂位置、承载能力以及在孔隙对机械性能影响可以忽略不计的载荷范围内的情况。对于像研究中的这类复杂结构，其承载能力对应力状态和孔隙大小的影响比简单试样更为敏感。研究表明，孔隙大小和应力状态的联合作用比它们各自的影响更为显著，这突显了在模拟断裂时同时考虑这两种因素的重要性，尤其是在多部件组件的背景下。通过蒙特卡洛（Monte Carlo）分析，模拟了Ti-6Al-4V夹具的性能对实际中常见的随机孔隙大小的敏感性，定量显示了由于微小随机孔隙而导致结构平均承载能力下降和可靠性降低的情况。随着增材制造在结构应用中的使用日益增多，本研究强调了结合过程控制和无损评估进行断裂建模对于评估结构性能和可靠性的重要性。

章节摘录

背景

增材制造（AM）有潜力提高金属结构的机械性能，尤其是在对重量要求严格的应用中[1]、[2]、[3]。不仅因为其固有的高冷却速率能够形成细小的微观结构特征，从而赋予材料比传统加工材料更高的强度[4]，而且这些工艺还能生产出接近最终形状的零件，优化了几何结构，提高了刚度和强度，同时减轻了重量。

样品设计与制造

为了研究孔隙大小和应力状态对Ti-6Al-4V组件的综合影响（该组件的几何形状限制了其通过传统方法进行加工的可能性），设计了图1a中所示的轻质夹具，其设计类似于参考文献[29]中的SS316L夹具。每个夹具由49根支柱组成，这些支柱在30个节点处连接。由于样件的横向对称性，每侧有7根支柱和8个节点，因此每个夹具总共包含28根不同的支柱，这些支柱在图1b-e中进行了标记。

校准的含孔莫尔-库仑模型

考虑了四种基于应力的断裂模型：含孔莫尔-库仑（P-MC）模型、含孔最大应力（P-Mσ）模型、莫尔-库仑（MC）模型和最大应力（Mσ）模型。这些模型在表3中进行了总结。MC和Mσ模型评估了完全致密条件下的P-MC和P-Mσ模型，而P-Mσ和Mσ模型则评估了当η = ¹/₃、$\stackrel{?}{\theta }$ = 1时的情况，这近似于单轴拉伸条件下的断裂行为。在接下来的部分中，

结果

图9显示了所有四种配置的实验力-位移曲线。对于图9a中的情况，虽然夹具在宏观上发生了屈服，但在接近断裂处切线刚度的正值较大；这与图4c中显示的R3NT和R12NT几何形状不同，在那些几何形状中，由于Ti-6Al-4V的低应变硬化特性，接近断裂时的切线刚度几乎为零。在当前研究的夹具几何形状中，当关键支柱接近断裂时，其他部位的载荷会增加。

影响承载能力下降的因素

如附录C中所述，使用不考虑孔隙影响的基于应力的断裂模型（即仅考虑孔隙对断裂强度的影响，而不考虑对结构刚度的影响）来评估含孔样品的承载能力时，可以表示为：