Details

Цель работы:  является разработка и исследование поведения энергопоглощения трёх различных конструкций ячеистых структур, проведение экспериментальных испытаний и инженерного моделирования с целью определения оптимальных структур для применения в области поглощения энергии. Для проведения физико-механических испытаний на растяжение были изготовлены образцы (тип IV согласно ГОСТ 1497-84) методом лазерного сплавления из металлических порошков Ti-6Al-4V, нержавеющей стали 316L и AlSi10Mn. Синтез осуществлялся на установке 3DLAM при варьировании мощности лазерного излучения (200, 275 и 290 Вт), скорости сканирования (1200, 760 и 900 мм/с) и шага штриховки (120, 100 и 125 мкм) для соответствующих материалов при фиксированной толщине слоя 30 мкм. Последующая термическая обработка включала вакуумный отжиг при температурах 1050 °C, 320 °C и 1050 °C со стабильной выдержкой в течение 2 часов. Определение прочностных характеристик выполнялось на разрывной машине Zwick Z100/SN5A, а полученные экспериментальные данные послужили основой для верификации расчетных моделей в программном комплексе ANSYS. В программном комплексе ANSYS были изучены и смоделированы три типа ячеистых структур (Strut_14, Strut_11-4 и Strut_02-3) при четырёх различных значениях относительной плотности (80%, 85%, 90%, 95%) и для трёх материалов: Ti-6Al-4V, нержавеющая сталь 316L и AlSi10Mg. Параметры материалов были выбраны в соответствии с характеристиками, полученными в ходе предыдущих испытаний на растяжение. Целью работы являлось определение наиболее подходящего распределения ячеистых структур и изучение поведения данных структур при изменении как материала, так и относительной плотности. Образцы для испытаний на сжатие и удар были изготовлены для структур — Strut_14 , Strut_02-3 и Strut_11-4  из материала Ti-6Al-4V с использованием параметров печати, аналогичных тем, что применялись для предыдущих образцов на растяжение, ввиду ограниченных возможностей университета. Кроме того, все три типа образцов были смоделированы в программном комплексе ANSYS к испытанию на осевой удар, с использованием параметров материала Ti-6Al-4V, полученных в ходе предыдущих испытаний на растяжение. Результаты моделирования показали, что структура Strut_02-3 демонстрирует наилучшие показатели с точки зрения энергопоглощения. Моделирование испытания по Шарпи для всех образцов согласно трём изучаемым материалам было выполнено с использованием программного комплекса ANSYS и параметров материалов, определённых ранее по результатам испытания на растяжение. При этом было выявлено, что поведение структур существенно изменяется при изменении оси приложения силы, а структура Strut_14 показала лучшие результаты энергопоглощения.

Purpose of the work: is the development and study of the energy absorption behavior of three different designs of cellular structures, conducting experimental tests and engineering modeling in order to determine optimal structures for energy absorption applications. Tensile specimens were fabricated from Ti-6Al-4V, 316L stainless steel, and AlSi10Mn metallic powders utilizing a 3DLAM selective laser melting system, strictly adhering to the geometry of GOST 1497-84 (Type IV). The manufacturing process involved systematic variations of core parameters, including laser power inputs (200, 275, and 290 W), scanning velocities (1200, 760, and 900 mm/s), and hatch spacing parameters (120, 100, and 125 μm) for each respective material, while maintaining a constant layer thickness of 30 μm. Thermal post-processing was subsequently conducted via vacuum annealing at specific temperatures of 1050 °C, 320 °C, and 1050 °C with a uniform holding duration of 2 hours. Standardized mechanical evaluation was performed using a Zwick Z100/SN5A universal testing machine, providing empirical datasets for validating the subsequent finite element models. Numerical simulations within the ANSYS environment were executed to evaluate three distinct cellular topologies (Strut_14, Strut_11-4, and Strut_02-3) across a range of relative densities (80%, 85%, 90%, and 95%) for the three aforementioned materials. The computational material properties were implemented based on the previously established experimental tensile test curves. This investigation focused on identifying the optimal spatial distribution of the cellular patterns and analyzing their deformation behavior under varying material attributes and relative density levels. Samples for compression and impact tests were made for structures  Strut_14 , Strut_02-3 and Strut_11-4 — from the Ti-6Al-4V material using printing parameters similar to those used for previous tensile samples, due to limited university capabilities. In addition, all three types of samples were modeled in the ANSYS software package for the axial impact test, using the parameters of the Ti-6Al-4V material obtained during previous tensile tests. The simulation results showed that the Strut_02-3 structure demonstrates the best indicators in terms of energy absorption. Modeling of the Charpy test for all samples according to the three studied materials was performed using the ANSYS software package and material parameters determined previously from the tensile test results. It was found that the behavior of the structures changes significantly with a change in the axis of force application, and the Strut_14 structure showed the best energy absorption results.