北京工商大學石文天教授：L-PBF制備橄欖仿生晶格結構力學性能研究 | CJME論文推薦

引用論文

Wentian Shi, Wensong Jiang, Jian Han, Jian Li, Biao Guo, Shangguo Cao, Chao Pan, Mechanical properties of olive bionic lattice structure prepared by LPBF,

Chinese Journal of Mechanical Engineering, Volume 39, 2026, 100040, https://doi.org/10.1016/j.cjme.2025.100040.

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關于文章

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研究背景及目的

現(xiàn)有仿生設計多局限于線性梯度或離散層級組合，難以復現(xiàn)橄欖形拓撲特有的應力均勻化與漸進失效特性。本研究突破傳統(tǒng)仿生設計范式，首次了提出"橄欖形仿生"梯度晶格結構。新設計的橄欖仿生結構在航空航天與醫(yī)療器械等各個領域具有很高的應用潛力。

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試驗方法

借助自然界中橄欖這種果實的生物性結構，拓撲優(yōu)化設計出橄欖形仿生晶格結構。使用增材制造技術L-PBF（機器為雷尼紹AM400）制備式樣樣件，通過線切割技術將樣件與基板分離。然后超聲波清洗技術與噴砂處理清理表面殘余粉末，之后利用阿基米德排水法測得樣件的孔隙率。之后使用力學試驗機對樣件進行準靜態(tài)壓縮試驗，拍攝并記錄樣件的力學性能、彈性模型、能量吸收等指標。最后再借助Abaqus軟件進行仿真模擬以驗證其理論可行性。

Fig. 1. Three bionic olive structures: (a), (a1), (a2) Models of the basic bionic olive structures BCCO, (b), (b1), (b2) Models of the bionic olive structures with circular support (BCCR), (c), (c1), (c2) Models of the bionic olive structures with triangular support (BCCT)

Fig. 2. Twelve different BCC structures: (a)-(h) BCCO structures with a rod diameter of 0.5 and curvature R =?8, 9, 10, 11, 12, 13, (g) Rod diameter of 0.6 and R =?10, (h) Rod diameter of 0.7 and R =?10, (i) Rod diameter of 0.6 and curvature R =?10, (j) Rod diameter of 0.7 and curvature R =?10, (k) Rod diameter of 0.6, curvature R =?10, (l) Rod diameter is 0.7, curvature R =?10

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結果

(1) 壓縮試驗表明，BCCO結構都具備二次與多次承載能力。橄欖型仿生設計讓傳統(tǒng)的桿徑由三維桿徑取代，在抵抗載荷時，會出現(xiàn)承載桿由三根減少到兩根再到一根的遞減情況，因此呈現(xiàn)在高原階段呈現(xiàn)反復的抵抗情況。BCCT與BCCR由于增加了支撐，降低了試樣的韌性，因此在桿徑為0.5mm時不具備高原階段，但是隨著桿徑增加，支撐力度被稀釋，兩種結構也出現(xiàn)類似的高原階段。

(2) 合理的曲率與更低的孔隙率能提升試樣的性能。在曲率為10時，BCCO結構的性能最好。BCCO-0.5-10相比較BCCO-0.5-8、BCC-0.86時，最大應力值分別提高50.20%、9.95%，單位體積能力吸收提高了33.33%、27.27%，彈性模量提高了62.01%、2.60%。

(3) BCCT具有更高的最大應力、單位體積能量吸收能力和的彈性模量。隨著桿徑的增加，0.5—0.6—0.7，BCCT比BCCO分別提升了23.22%—59.44%—32.17%的最大應力值，3.57%—18.18%—1.69%的單位體積能量吸收，36.83%—86.40%—46.05%的彈性模量。

(4) BCCR具有非常良好的能量吸收能力。BCCR-0.7-10在孔隙率比BCC-1.25-0高了0.07%的情況下，其能量吸收提高了144.44%，這表明了BCCR結構具有非常高的抗沖擊性與安全性。

(5) 不同多孔結構的斷裂形態(tài)一般呈現(xiàn)光滑、平坦的斷裂特征，在局部放大圖像中可觀察到一些淺韌窩、球狀粉末與裂紋。因此，這些結構的破壞模式是脆性和延性變形的結合。

04

結論

(1) 提出了三維桿徑遞減承載機制。BCCO結構的橄欖型仿生設計突破了傳統(tǒng)BCC結構的均勻桿徑限制，首次觀察到桿系從三根→兩根→一根的動態(tài)承載轉變過程。這種階梯式應力傳遞機制（二次/多次承載效應）為多孔結構的能量耗散理論提供了新的解釋模型，彌補了傳統(tǒng)Gibson-Ashby模型在非均勻桿徑結構中的適用局限。

(2) 建立了曲率-性能定量關系。發(fā)現(xiàn)曲率參數(shù)對力學性能的非線性影響規(guī)律（最優(yōu)曲率10），闡明曲率通過改變應力分布梯度調控結構失效路徑的機理。BCCO-0.5-10相比較BCCO-0.5-8、BCC-0.86，最大應力值分別提高50.20%、9.95%，單位體積能力吸收提高了33.33%、27.27%，彈性模量提高了62.01%、2.60%。

(3) 開發(fā)出性能可調的輕量化材料體系。BCCT結構展現(xiàn)了卓越的靜態(tài)承載能力，較BCCO提升最高59.4%的應力，適用于航空航天承力部件；BCCR結構實現(xiàn)突破性吸能能力，較傳統(tǒng)BCC結構提高了144.44%吸能能力，適用于汽車防撞結構。

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前景與應用

BCCT結構展現(xiàn)了卓越的靜態(tài)承載能力，較BCCO提升最高59.4%的應力，適用于航空航天承力部件；BCCR結構實現(xiàn)突破性吸能能力，較傳統(tǒng)BCC結構提高了144.44%吸能能力，適用于汽車防撞結構。

關于作者

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作者介紹

石文天，北京工商大學，教授，博導；主持國家自然基金項目3項；科技部重點研發(fā)計劃項目（課題）1項；北京市委組織部項目1項；企事業(yè)單位項目若干；申請發(fā)明專利20余項，已授權9項；出版學術著作3部；發(fā)表學術論文140余篇，其中SCI收錄70余篇；獲中國機械工業(yè)科技進步二等獎1項（排1），中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會科學技術一等獎1項（排6），獲評《表面技術》雜志優(yōu)秀編委和優(yōu)秀審稿專家。石文天教授長期致力于芳綸復合材料精密加工與成形技術、骨植入器械質量控制及設計優(yōu)化、食品加工裝備結構優(yōu)化與智能化改造等精密加工技術與智能制造理論技術、工藝裝備方面的研究與開發(fā)。

02

研究方向

研究方向1：芳綸復合材料精加工與成形技術

針對航空航天高強高韌芳綸復合材料加工質量差、刀具磨損嚴重等問題，建立了表面粗糙度、殘余應力、硬度等模型，揭示了碳纖維和芳綸復合材料等的表面創(chuàng)成機理，構建了加工表面質量與切削力、切削振動及刀具磨損之間的關聯(lián)模型，提出高強高韌芳綸復合材料表面完整性調控方法，實現(xiàn)高質量加工，為高強高韌芳綸復合材料的高表面質量加工提供了理論基礎與技術支撐。

研究方向2：骨植入器械質量控制及設計優(yōu)化

針對增材制造多孔金屬骨植入器械中孔內殘粉及多孔結構的特點，首先采用微磨料氣射流輔助超聲波清洗結合化學清洗的工藝方法，對骨植入器械中的殘粉和掛渣進行精準去除。接著對難除殘粉采用放電等離子體燒結工藝，進一步進行原位固結。最后通過采用相對質量/體積測試和微/納米級CT技術，對殘粉去除效果進行檢測。最終開發(fā)出了一種針對增材制造多孔金屬骨植入器械的殘粉精準去除+原位固結+無損檢測的協(xié)同處理技術。

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近兩年團隊發(fā)表文章

1.Evaluation of mechanical properties of Ti–6Al–4V BCC lattice structure with different density gradient variations prepared by L-PBF

2. Mechanical Response and Energy Absorption of 316L Stainless Steel Body-Centered-Cubic Functionally Graded Lattice Structures under Quasistatic Compressive Test

3.Influence of Density Gradient on the Compression of Functionally Graded BCC Lattice Structure

4.Experimental study on the influence mechanism of micro-abrasive air jet machining on the surface quality of Ti-6Al-4V titanium alloy formed by selective laser melting

5.Simulation and experimental study of the hole-making process of Ti-6Al-4V titanium alloy for selective laser melting

6.Experimental study and simulation analysis of the fracture mechanism in AFRP milling

7.Experimental study on milling and milling-grinding composite machining of AFRP

8.Experimental research on micro-cutting wear of 38CrSi steel caused by TiAlN- and TiCrAlN-coated tools

9.Comparative study on MQL milling and hole making processes for laser beam powder bed fusion (L-PBF) of Ti-6Al-4V titanium alloy

作 者：石文天等

責任編輯：惲海艷

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

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