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新的晶格設計,無視麥克斯韋準則,從常規變成特例!

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online_member 發表于 昨天 21:10 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家設計了一種新型3D打印晶格結構,這種結構結合了輕量級和高剛度,打破了之前認為需要展示此類特性的規則。另外,其中一個新結構對所有方向的力都顯示出完全一致的響應。正如Science Advances發表的一篇論文所述,由工程師Seth Watts共同領導的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室團隊,使用Watts編寫的拓撲優化軟件,創建了兩個由微架構桁架組成的獨特單胞設計,其中一個被設計為具有各向同性(相同和全方位)材料特性。
新的晶格設計,無視麥克斯韋準則,從常規變成特例!


然后,這些新結構被制造和測試,并被發現優于八位組桁架,這是三維打印網格結構的標準幾何圖案。令研究人員驚訝的是,這些桁架似乎違反了麥克斯韋準則,這是一種在機械設計中使用的結構剛度理論,該理論認為最有效的承重結構只有通過拉伸才能變形。在這樣的結構中,剛度比例與密度成線性關系,將結構的重量減半,而不是效率較低的結構,其剛度會降低四分之三或八分之七。這種線性縮放可以創建超輕、超硬的機械超材料。
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該研究的共同作者瓦茨解釋說:研究發現,當傳統智慧(麥克斯韋標準規則)不能滿足時,兩個桁架的剛度與密度呈線性比例關系。人們一直認為,麥克斯韋準則既是必要的,也是充分的,可以證明在低密度下具有高剛度。該研究已經證明了這不是一個必要條件。換句話說,有更大一類桁架具有這種線性比例特性。這表明以前的正統觀念并不堅定,存在例外,而這些例外實際上可以獲得更好的屬性。
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通過使用投射到光敏聚合物樹脂上的光,來逐層構建物體的投影微型立體光刻3D打印工藝,勞倫斯利弗莫爾國家實驗室團隊構建了具有重復八面體和整流立方體(ORC)單元格的結構,該單元被設計為比等密度的八面體桁架更堅硬。并且具有重復扁圓形和準球形八面體(OQSO)單元格結構,設計為完全各向同性,因此其機械響應是均勻的,無論在何處施加載荷,然后對設計進行了實驗驗證。研究人員表示,由于其統一的響應,各向同性格子可以相對于已知甚至未知載荷任意放置。
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架能這使工程師能夠產生比其他類型桁架(如八位組設計)更堅硬的結構,這種桁架也是超硬的,但只在某些方向上。研究的合著者、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室工程材料和制造中心主任Chris Spadaccini說:各向同性桁在用例場景中忽略加載方向。例如,不再需要擔心負載來自哪個角度。這項研究確實表明,有一種新方法可以獲得更好的性能,但還沒有被探索,因為它違反了傳統觀念。研究人員表示,這項工作還證明,通過使用拓撲優化,工程師可以設計出比傳統“按規則設計”方法創建結構更好的新結構。
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共同首席作者陳文晨(音譯)在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室擔任博士后期間領導了實驗和機械測試工作,現在是馬薩諸塞大學阿姆赫斯特大學機械工程助理教授,陳文晨測試了不同密度的樣品,看看當它們以不同角度壓縮時會發生什么,以驗證它們的各向同性特性。陳文晨表示:對結果感到驚訝,而且這項研究已經“改善了”取代經典八位組桁架設計的希望。這表明可以使用這個計算工具來設計結構,以滿足目標性能,這為建筑材料開辟了一種新的設計模式。
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其次,它提高了建筑設計的機械效率,對于可能具有復雜應力狀態的環境,希望盡可能使其各向同性。這擴展了格子的應用范圍,因為在實際應用中,通常需要一種可以從多個方向承受載荷的材料。這項研究是陳文晨正在進行使用計算方法優化3-D打印部件設計工作的一部分,各向同性結構完全是通過計算機建模設計。新的設計以及用于開發它們的算法正在被整合到利弗莫爾設計優化(LIDO)代碼中,以使這些進步可用于其他實驗室編程領域。例如,研究人員已經使用這種方法為國家點火設施應用開發了一個定制的單元電池。
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各向同性桁架可以延伸到3D打印的金屬和陶瓷中,并證明在任何需要硬度的地方都很有用,但需要輕質材料,例如在3D打印組織等生物應用中,剛度可調是必不可少的。航空航天領域也需要這些特性。例如,在無人機或戰斗機中,減輕結構重量具有增加機動性和減少慣性力的雙重好處,從而實現極端性能。輕量級設計還可以減少生產成本、燃料使用和材料浪費,并且隨著工程師轉向更優化的結構,還會帶來許多其他好處。最新研究是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室為設計具有專門為實驗室任務量身定做屬性的新單位細胞庫,而同時進行的幾項努力之一。
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Spadaccini說:我們希望將設計空間擴展到直觀設計之外,長期希望是,不再只是在文獻中挑選最新的格子設計,而是轉向創建和使用我們自己的材料庫,可以使用這些方法來滿足特定需求,因此材料的性能會更好。最終希望勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的工程分析師將其作為一種設計工具來使用。研究團隊正在繼續研究,包括對晶格結構的更全面的表征,考慮在線性彈性之外的物理學,包括傳熱,非線性力學,振動和故障。了解它們在一系列現象中的反應,可以更精確地設計使用這些新型超材料構建的多尺度結構。
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