孟云聰, 周光明 , 蔡登安

( 南京航空航天大學 航空航天結(jié)構(gòu)力學及控制全國重點實驗室，南京 210016 )

蜂窩結(jié)構(gòu)擁有隔熱性、吸能性、輕質(zhì)性等特點，廣泛用于航空航天、汽車、建筑和沖擊防護等領(lǐng)域[1-2]。根據(jù)單胞構(gòu)型的不同，蜂窩結(jié)構(gòu)可以分為六邊形、四邊形、三角形、圓形和異形蜂窩等[3]。以蜂窩受到面內(nèi)壓縮時橫向變形的特點又可分為傳統(tǒng)蜂窩和負泊松比蜂窩[4-5]。

使用傳統(tǒng)工藝制作復雜結(jié)構(gòu)的蜂窩難度大、成本高[6]，當前相關(guān)研究多使用熔融式3D 打印技術(shù)制造各形蜂窩[7]。但基于熱塑性樹脂打印出的蜂窩因樹脂力學性能不足表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)強度和剛度較弱等缺點[8]。通過在樹脂中加入高性能纖維可有效增強結(jié)構(gòu)的力學性能[9]。國內(nèi)外學者已開展了相關(guān)研究。Quan 等[10]使用3D 打印技術(shù)制造了一種連續(xù)芳綸纖維增強聚乳酸(PLA)基材料的負泊松比內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)進行了面內(nèi)壓縮試驗，同時設(shè)置PLA 對照組，在質(zhì)量增加6%的情況下，復材件相比PLA 件在抗壓剛度和吸能方面性能可分別提高87% 和100%。Cheng等[11]使用碳纖維和特制基體制造了連續(xù)碳纖維3D 打印輕質(zhì)蜂窩，研究了結(jié)構(gòu)在熱激勵下的自恢復特性，利用碳纖維自身的電阻屬性，由碳纖維充當加熱器，結(jié)構(gòu)壓縮后對內(nèi)部碳纖維通電流，結(jié)構(gòu)可在碳纖維發(fā)熱后恢復部分形變。Zeng 等[12]研究了由碳纖維增強樹脂基體制成的六邊形和四邊形單胞蜂窩結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)進行了壓縮性能和吸能性能研究，并在壓縮試驗后將試驗件放置在70℃的溫度箱中開展形狀恢復測試。張亞男[13]打印了芳綸纖維增強熱塑性聚氨酯(TPU) 基蜂窩，在減少單胞尺寸，提高結(jié)構(gòu)相對密度后可增強蜂窩的抗壓縮性能。

當前蜂窩領(lǐng)域研究熱點集中于六邊形蜂窩、增強型蜂窩及負泊松比蜂窩[14-16]。六邊形蜂窩在面外壓縮上優(yōu)異的承載能力，而在面內(nèi)壓縮性能上，相同密度下的圓形蜂窩相較六邊形蜂窩有更高的剛度和抗壓強度[17]，同時具有更好的吸能性能[18]。在成型工藝方面，使用連續(xù)纖維3D 打印成型試驗件時，圓形蜂窩相較于多邊形蜂窩在成型路徑規(guī)劃上有較大優(yōu)勢[19-20]，例如，在保證纖維連續(xù)性的情況下，圓形蜂窩可在任意平面陣列排布下做到零重復路徑，能夠提高成型效率并減少材料浪費。圓形蜂窩成型路徑呈圓弧形，路線平滑且無突變角度，利于成型時纖維束的均勻分布，可減少纖維束滑移等成型缺陷[21]。

基于上述原因，本文在傳統(tǒng)圓形蜂窩(Circular honeycomb，CH) 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過向單胞內(nèi)引入樹葉形增強結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了單向增強圓形蜂窩(Single enhanced CH，SEH) 和雙向增強圓形蜂窩(Double enhanced CH，DEH)。使用碳纖維(CF)作增強體、PLA 為基體的預浸漬絲材為原材料，3D 打印制造了連續(xù)碳纖維增強試驗件，同時設(shè)置PLA 試驗件為對照組，討論了蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料體系和路徑規(guī)劃對結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮的抗壓性能、吸能性能和變形模式的影響規(guī)律。

1 實驗材料及方法

1.1 原材料及3D 打印方法

本文使用一臺自行研發(fā)的連續(xù)纖維3D 打印設(shè)備制造CF 增強試驗件。當前復合材料3D 打印主要分為原位浸漬工藝和預浸漬工藝[22-23]，本設(shè)備基于預浸漬工藝研制，如圖1(a)所示。采用預浸漬絲材作為打印原料。預浸漬絲材以CF 為增強體，PLA 為基體。碳纖維(HTA40-E15-1K)，單絲直徑7 μm，密度1.78 g/cm3，由Toho Tenax 公司提供。PLA 材料密度1.31 g/cm3，由廣東閃銳公司提供。預浸漬絲材使用自研的熔融浸漬設(shè)備生產(chǎn)，絲材直徑為1 mm，纖維體積含量為8.3vol%。

圖1 (a) 連續(xù)纖維3D 打印設(shè)備；(b) 加工示意圖Fig.1 (a) Continuous fiber 3D printing equipment; (b) Processing diagram

本設(shè)備主要由卷線盤、進給機構(gòu)、噴頭組件、打印平臺、運動機構(gòu)和控制模塊組成。預浸漬絲材儲存在卷線盤內(nèi)，進給機構(gòu)將絲材按成型需求量送入到噴頭組件。成型時，噴頭組件內(nèi)的加熱電阻將噴嘴升溫至基體熔融溫度以上，融化的樹脂混合碳纖維束從噴嘴處擠出后沉積粘附至打印平臺上。設(shè)備按加工路徑控制運動機構(gòu)上的電機移動噴嘴，單層打印結(jié)束后打印平臺下降一個層高的距離，如此循環(huán)，最終完成試驗件的制造，3D 打印加工示意圖如圖1(b) 所示，成型完成的試驗件如圖2 所示。相較于傳統(tǒng)打印設(shè)備，本設(shè)備對卷線盤、擠出機和噴頭組件進行了重新設(shè)計，可適配帶纖維束的小直徑絲材。通過在絲材外包覆低阻尼保護管，優(yōu)化噴嘴外形，可減少系統(tǒng)對絲材的摩擦，起到保護絲材，減少纖維損傷的作用。

圖2 (a) 圓形蜂窩(CH)-碳纖維(CF)試件；(b) 單向增強圓形蜂窩(SEH)-CF 試件；(c) 雙向增強圓形蜂窩(DEH)-CF 試件Fig.2 (a) Circular honeycomb (CH)-carbon fiber (CF) specimen;(b) Single enhanced circular honeycomb (SEH)-CF specimen;(c) Double enhanced circular honeycomb (DEH)-CF specimen

1.2 蜂窩幾何設(shè)計

CH 是由多個圓形單胞在橫向和豎向以陣列形式相切排列構(gòu)成的，蜂窩各方向力學性能較均勻，但存在孔隙率高，受大位移壓縮時易發(fā)生側(cè)壁塌縮導致結(jié)構(gòu)失效的情況。通過向蜂窩內(nèi)添加支撐可有效提升結(jié)構(gòu)的承載能力和吸能特性[24]。

SEH、DEH 兩種蜂窩是在CH 基礎(chǔ)上增加樹葉形支撐結(jié)構(gòu)得到的。以DEH 為例，其在橫豎兩方向上增加了支撐，單胞外圓的半徑r1=10 mm，橫豎兩處樹葉形支撐由4 段圓弧組成，圓弧的圓心設(shè)置于單胞外圓上的a、b、c、d 這4 點，圓弧半徑，繪制4 段弧度φ=90圓弧，見圖3(a)。此時，圓弧均被等分為3 段小圓弧，存在幾何關(guān)系：

圖3 (a) DEH 單胞示意圖；(b) SEH 單胞成型軌跡；(c) CH 成型軌跡Fig.3 (a) Diagram of DEH monocell; (b) SEH monocell forming path;(c) CH forming path

由點a、e、f 圍成的圖形近似于等邊三角形，力學性能較穩(wěn)定?？紤]原材料制作和設(shè)備成型尺寸限制，蜂窩結(jié)構(gòu)采用3×3單胞構(gòu)型。試件的設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Table 1 Geometric parameters of honeycomb

SEH 即在DEH 基礎(chǔ)上保留豎向支撐，去掉橫向支撐，其余幾何參數(shù)保持一致。CH 結(jié)構(gòu)僅保留外圓輪廓，其余參數(shù)一致。

蜂窩結(jié)構(gòu)的相對密度是影響結(jié)構(gòu)力學性能和變形模式的重要參數(shù)，本文中結(jié)構(gòu)相對密度的計算公式如下：

式中：ρ*表示蜂窩結(jié)構(gòu)的表觀密度；ρs為蜂窩結(jié)構(gòu)的材料密度；As表示蜂窩結(jié)構(gòu)的實際橫截面積；A表示蜂窩結(jié)構(gòu)的總橫截面積(A=LH，L表示試件寬度，H表示試件高度)。

1.3 路徑規(guī)劃和試件制造

相較傳統(tǒng)3D 打印技術(shù)，在連續(xù)纖維3D 打印中，引入高性能纖維束增加了結(jié)構(gòu)件力學性能，也同時增加了纖維束成型路徑規(guī)劃的環(huán)節(jié)。通常，一種結(jié)構(gòu)件擁有多種加工路徑可供選擇。本文以提高結(jié)構(gòu)力學性能、降低缺陷發(fā)生率、保證纖維連續(xù)性為目標設(shè)計了3 種蜂窩結(jié)構(gòu)的成型路徑。

CH 的成型路徑如圖3(c)所示，數(shù)字和箭頭分別表示成型路徑的順序和方向，虛線表示第一層成型時，噴嘴的首次進入路徑。CH 成型路徑以加工平面右下角為起點，沿順時針方向以螺旋形依次生成其余單胞，完成路徑16 后又回到起點。由于每一層的打印路徑起點和終點均重合，因此每層的成型路徑相同。SEH 結(jié)構(gòu)的成型路徑是在CH 結(jié)構(gòu)的成型路徑基礎(chǔ)上在每處單胞內(nèi)加入豎向增強的成型路徑，如圖3(b)所示。

DEH 在橫豎兩方向均有支撐，存在多種成型路徑方案可供選擇，為發(fā)揮碳纖維優(yōu)異的抗拉性能并提升結(jié)構(gòu)剛度，為DEH 結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種“支撐一體化成型”路徑，如圖4 所示。該路徑規(guī)劃策略是將結(jié)構(gòu)同方向的3 處樹葉形支撐依次打印，然后在后續(xù)成型中加入單胞外圓的成型路徑，DEH 打印過程見圖5。

圖4 DEH 成型軌跡Fig.4 Forming path of DEH

圖5 采用“支撐一體化成型”路徑打印的DEH 結(jié)構(gòu)Fig.5 DEH printed by the path of "strut integrated molding"

因在同一打印層中，纖維束路徑存在同多次交叉和軌跡角度較大偏轉(zhuǎn)，為確?？尚行?，在試驗前進行了工藝驗證。單束1 K 碳纖維紗束層厚約0.05 mm，在將3D 打印層高tz設(shè)置為0.4 mm，噴嘴溫度T1為200℃，同時令噴嘴經(jīng)過節(jié)點時停留0.5 s，可使節(jié)點處的上一層基體融化，線材之間二次熔融壓實，通過以上優(yōu)化措施，可滿足有4 次交叉時，節(jié)點處平滑。為避免因軌跡角度急劇偏轉(zhuǎn)，發(fā)生纖維束剝離導致成型失敗，設(shè)備對沉積到成型平面后的纖維束進行冷卻散熱，讓熔融態(tài)基體快速固化，可有效提升打印質(zhì)量。

連續(xù)纖維3D 打印制造試驗件的成型參數(shù)如表2 所示，PLA 對照組的3 種蜂窩結(jié)構(gòu)使用桌面式熔融沉積制造(FDM) 3D 打印機制造，由廣東閃銳公司提供，PLA 材料與CF 增強組所用PLA材料相同。每種構(gòu)型的試驗件制作5 個，相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表2 打印成型參數(shù)Table 2 Parameters of printing process

表3 蜂窩試驗件參數(shù)Table 3 Parameters of honeycomb specimens

1.4 試驗設(shè)備及試驗設(shè)置

使用MTS Model E45 型試驗機，參照GB/T 18942-2003[25]標準對蜂窩結(jié)構(gòu)進行準靜態(tài)壓縮試驗，蜂窩試驗件放置在試驗機上下兩塊圓形壓頭之間，下壓頭固定在試驗機平臺上，上端壓頭安裝在可移動的橫梁上，試驗設(shè)備及加載方式如圖6 所示。試驗時上端壓頭施加向下的位移載荷，加載速率為3 mm/min，壓縮位移加載至39 mm以上(名義應(yīng)變εy>0.65)。上端壓頭的載荷通過力傳感器將支反力數(shù)據(jù)傳輸給控制端，同時在試驗機外放置了攝像裝置，對壓縮過程中試驗件宏觀變形情況進行記錄。

圖6 實驗設(shè)備及試件安裝Fig.6 Experimental equipment and installation of specimen

在面內(nèi)壓縮過程中，蜂窩結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力和名義應(yīng)變計算公式如下：

式中：Rf為上端壓頭與蜂窩結(jié)構(gòu)之間的反作用力；At為試件的垂向初始橫截面積，即At=Lq，q表示試件厚度； Δy為上端壓頭的壓縮位移。

2 結(jié)果與討論

2.1 蜂窩結(jié)構(gòu)的準靜態(tài)壓縮響應(yīng)

CH、SEH 和DEH 在準靜態(tài)面內(nèi)壓縮時的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7 所示。為方便表述，將試驗件名稱簡化為構(gòu)型加材料體系英文縮寫，如碳纖維增強組DEH 試驗件用DEH-CF 表示。由曲線可知，兩種材料體系的SEH 和DEH 準靜態(tài)壓縮響應(yīng)均具有多胞材料的典型應(yīng)力響應(yīng)特征，即結(jié)構(gòu)在壓縮過程呈現(xiàn)出彈性階段、平臺階段和密實化階段3 個時期。

圖7 不同蜂窩的面內(nèi)壓縮名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(a) CH；(b) SEH；(c) DEHFig.7 In-plane compression stress-strain curves of different honeycombs: (a) CH; (b) SEH; (c) DEH

SEH 和DEH 的彈性階段發(fā)生在壓縮過程初期(εy<0.1)，結(jié)構(gòu)各單胞發(fā)生均勻的彈性變形，且CF 增強組的彈性階段期大于PLA 對照組。隨壓縮量增加，結(jié)構(gòu)進入到平臺階段，結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和支撐發(fā)生彎曲、接觸和斷裂，單胞出現(xiàn)局部密實化，應(yīng)力在波動中逐漸升高。當壓縮量進一步增大，結(jié)構(gòu)由局部密實化逐漸發(fā)展成整體密實化，進入到密實化階段，此時支反力急劇提升。分析各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，結(jié)構(gòu)的各應(yīng)力響應(yīng)特征階段期隨結(jié)構(gòu)相對密度的增加而變短。例如，DEH 結(jié)構(gòu)的3 個階段期均短于SEH 和CH 結(jié)構(gòu)。值較高的蜂窩結(jié)構(gòu)，其內(nèi)單胞內(nèi)部空間有較多支撐填充，受壓時側(cè)壁和支撐會較早發(fā)生接觸，影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。

為探究不同材料體系對結(jié)構(gòu)的抗壓性能的影響，取彈性階段峰值應(yīng)力為結(jié)構(gòu)抗壓強度，結(jié)果如圖8 所示。采用連續(xù)纖維三維打印后，CH、SEH 和DEH 這3 種結(jié)構(gòu)在質(zhì)量增加約4%的情況下，抗壓強度相較PLA 對照組分別提升了82.88%、42.73%、39.89%。結(jié)果顯示，在PLA 中加入碳纖維束有效提升了結(jié)構(gòu)的面內(nèi)抗壓縮性能。

圖8 各蜂窩的抗壓強度Fig.8 Compressive strength of honeycombs

2.2 蜂窩結(jié)構(gòu)的變形模式

CH、SEH 和DEH 結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮時結(jié)構(gòu)的變形模式如圖9～圖11 所示。

圖9 變形過程：(a) CH-PLA；(b) CH-CFFig.9 Deformation process: (a) CH-PLA; (b) CH-CF

圖10 變形過程：(a) SEH-PLA；(b) SEH-CFFig.10 Deformation process: (a) SEH-PLA; (b) SEH-CF

圖11 變形過程：(a) DEH-PLA；(b) DEH-CFFig.11 Deformation process: (a) DEH-PLA; (b) DEH-CF

對于CH 結(jié)構(gòu)，CH-PLA 在εy=0.2時，部分單胞側(cè)壁受壓后發(fā)生彎折，可見塑性斷口(圖9(a)圓圈處)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部坍塌，相同應(yīng)變下的CHCF 仍為整體變形。在εy=0.4時，CH-PLA 在斜45°方向上的單胞塌縮，到εy=0.6時，單胞塌縮范圍繼續(xù)擴展，CH-PLA 組因斜向單胞斷裂塌縮，整體變形呈“X”型。而碳纖維增強的CH-CF 組，其側(cè)壁抗彎和抗壓性能較對照組有明顯增強，壓縮過程未出現(xiàn)單胞過早斷裂導致結(jié)構(gòu)局部失效的情況，結(jié)構(gòu)變形模式也趨于整體變形。

對于SEH 結(jié)構(gòu)，SEH-PLA 在εy=0.2時，底層3 個單胞塌縮，單胞的側(cè)壁和樹葉形支撐發(fā)生了彎折和斷裂，可見塑性斷口。同應(yīng)變下SEH-CF的多處單胞的側(cè)壁和支撐發(fā)生彎折，但未見斷裂。在εy=0.4時，兩組蜂窩均因斜向單胞塌縮，變形呈“X”型，但PLA 組內(nèi)彎折的側(cè)壁和支撐多已斷裂，而碳纖維組則是側(cè)壁與支撐在壓縮后屈曲并相互貼合，結(jié)構(gòu)并未斷裂。在εy=0.6時，兩種結(jié)構(gòu)處于密實化階段前期，單胞均已塌縮。

對于DEH 結(jié)構(gòu)，DEH-PLA 組在εy=0.2時，中層和底層部分單胞支撐發(fā)生斷裂，同應(yīng)變下的DEH-CF 結(jié)構(gòu)中層單胞的橫向樹葉形支撐出現(xiàn)明顯的橫向拉伸(圖11(b)箭頭處)，但單胞未出現(xiàn)側(cè)壁和支撐斷裂。在εy=0.4時，DEH-PLA 結(jié)構(gòu)單胞內(nèi)的橫向支撐均發(fā)生斷裂，PLA 抗拉強度已無法承受結(jié)構(gòu)的橫向擴展應(yīng)力，同階段DEH-CF 單胞的側(cè)壁和支撐均有彎折和塌縮，但未斷裂。在εy=0.6時，兩種結(jié)構(gòu)均處于密實化階段，結(jié)構(gòu)趨于整體密實化，單胞完全塌縮。

由上述6 組分析可知，在結(jié)構(gòu)中引入碳纖維增強了單胞的抗壓和抗彎性能，改變了蜂窩結(jié)構(gòu)的變形模式。在受壓時，纖維增強結(jié)構(gòu)單胞變形更加均勻，局部塌縮減少。

2.3 蜂窩結(jié)構(gòu)的破壞模式

試驗結(jié)束后，使用Hirox KH-7700 高倍光學顯微鏡對試驗件的典型斷口等失效部位進行拍照。結(jié)構(gòu)的破壞模式受材料體系影響較大，圖12(a)是壓縮后的CH-PLA 試件，其中標識1 處為蜂窩中相鄰單胞節(jié)點處的失效斷面，側(cè)壁完全斷裂并彎折，斷裂模式為脆性斷裂，斷口表面有鋸齒狀突起。標識2 處是結(jié)構(gòu)下層一處單胞側(cè)壁的斷面，斷口平整，斷裂模式同樣為脆性斷裂。結(jié)構(gòu)失效是由節(jié)點處側(cè)壁過早斷裂而引起的。

圖12 蜂窩破壞模式：(a) CH-PLA；(b) CH-CF；(c) SEH-PLA；(d) SEH-CF；(e) DEH-PLA；(f) DEH-CFFig.12 Failure mode of honeycombs: (a) CH-PLA; (b) CH-CF; (c) SEH-PLA; (d) SEH-CF; (e) DEH-PLA; (f) DEH-CF

圖12(b) 是壓縮后的CH-CF 試件，標識3 處為相鄰兩單胞連接處的失效斷面，該處側(cè)壁未完全斷裂，初始于右側(cè)的裂紋擴展到碳纖維束處便停止擴展(箭頭處)，裂紋中間斷口有碳纖維單絲從基體撥出。標識4 為上下相鄰單胞接合處，側(cè)壁受壓后彎曲貼合，纖維束分布均勻無斷裂，基體未見明顯裂紋。結(jié)構(gòu)失效是由側(cè)壁受壓后彎曲失去承載能力而引起的。

SEH 和DEH 與CH 類似，其破壞模式根據(jù)材料體系不同有明顯差異。PLA 組受壓后在側(cè)壁和支撐接合處出現(xiàn)較多斷口，結(jié)構(gòu)因側(cè)壁和支撐受壓后發(fā)生塑性斷裂而失效。CF 組受壓后其側(cè)壁和支撐繞節(jié)點彎曲，最終相互貼合，未見明顯斷口，結(jié)構(gòu)因側(cè)壁和支撐受壓后彎曲而失效。

由上述分析可知，材料體系影響了蜂窩結(jié)構(gòu)的破壞模式。碳纖維增強組結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和支撐抗斷裂能力明顯增加，連續(xù)纖維阻止了裂紋在基體中的傳播，有效防止側(cè)壁和支撐在受壓后過早斷裂，延緩了結(jié)構(gòu)的整體失效。

2.4 DEH 結(jié)構(gòu)動態(tài)泊松比

采用“支撐一體化成型”路徑制作的DEHCF 相較DEH-PLA 在壓縮時主平面的橫向變形上表現(xiàn)出較大差異。DEH-PLA 在壓縮時，結(jié)構(gòu)在各個特征階段均朝主平面的橫向擴展，在垂直于主平面的側(cè)向平面上變形量較少。DEH-CF 在壓縮時結(jié)構(gòu)整體橫向變形趨勢較小，在結(jié)構(gòu)進入到密實化階段后，相較同時期對照組，其橫向的變形增量下降明顯，而在側(cè)向平面上出現(xiàn)橫向擴展變形，如圖13 所示。為詳細研究DEH 結(jié)構(gòu)在壓縮時的橫向變形機制，本文使用結(jié)構(gòu)動態(tài)泊松比參數(shù)對變形過程進行分析[26]。蜂窩結(jié)構(gòu)的動態(tài)泊松比μ的計算公式如下：

圖13 DEH-PLA 和DEH-CF 側(cè)向視圖Fig.13 Side view of DEH-PLA and DEH-CF

圖14 給出了兩種材料的DEH 結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮下的動態(tài)泊松比-名義應(yīng)變曲線。從曲線可知，DEH-PLA 在壓縮過程中結(jié)構(gòu)動態(tài)泊松比顯著大于DEH-CF，且在DEH-PLA 進入到密實化階段以后(μ> 0.5)泊松比有繼續(xù)增加的趨勢，而DEH-CF的泊松比則有下降的趨勢。

圖14 DEH 蜂窩的泊松比-名義應(yīng)變曲線Fig.14 Poisson's ratio-nominal strain curves of DEH

對DEH-PLA 宏觀變形過程分析后發(fā)現(xiàn)，部分單胞的側(cè)壁和支撐因材料性能不足在壓縮過程初期(μ=0.1)便發(fā)生了塑性斷裂(圖15 圓圈處)，單胞失去支撐后迅速坍塌并朝橫向擴展，導致結(jié)構(gòu)在壓縮響應(yīng)時表現(xiàn)出較高泊松比特性。

圖15 DEH-PLA 變形過程Fig.15 Deformation process of DEH-PLA

對DEH-CF 結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的纖維路徑影響了壓縮響應(yīng)時結(jié)構(gòu)的變形行為。圖16 中標號為1、2 的橫向葉形支撐與右端側(cè)壁的纖維束整體相連，標號3 的橫向支撐與左端側(cè)壁纖維束相連，DEHCF 成型路徑可參照圖4。試驗件右端側(cè)壁變形均勻，整體與右側(cè)虛線齊平，需要注意標號1、2、3 所指處的側(cè)壁均有內(nèi)凹收縮的趨勢，這是由橫向支撐結(jié)構(gòu)抵抗蜂窩橫向變形而牽引側(cè)壁所導致的。3 處圓圈所指區(qū)域的橫向支撐與其對應(yīng)側(cè)壁無纖維直接相連，僅有樹脂基體連接，區(qū)域呈現(xiàn)淺白色，基體有剝離的趨勢，同時側(cè)壁有不規(guī)則變形。值得注意的是，隨著壓縮響應(yīng)向密實化階段發(fā)展(μ>0.4)，DEH-CF 減緩了主平面的橫向擴展，結(jié)構(gòu)厚度方向出現(xiàn)層間開裂。這是CF 增強后導致結(jié)構(gòu)主平面橫向剛度過高和3D 打印層間性能不足共同作用的結(jié)果。

圖16 DEH-CF 變形過程Fig.16 Deformation process of DEH-CF

因此，“支撐一體化成型”路徑規(guī)劃增強了DEH-CF 的橫向剛度，在結(jié)構(gòu)受壓時，纖維束抵抗側(cè)壁橫向擴展的作用明顯，結(jié)構(gòu)在壓縮過程中呈現(xiàn)出低泊松比的特性。

2.5 蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能性能

蜂窩結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)秀的吸能特點，為研究3 種蜂窩結(jié)構(gòu)的能量吸收性能，使用比吸能(Specific energy absorption，S′)和平均壓縮力(Mean crushing force，M′)參數(shù)進行研究。比吸能表示蜂窩結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量吸收的能量，定義公式如下：

式中，Ea為蜂窩結(jié)構(gòu)在壓縮過程中的總吸收能量。Ea的計算公式如下：

式中：y代表壓縮位移；F為壓縮反力；yd表示結(jié)構(gòu)在進入致密化階段時的致密化壓縮位移。yd由致密化應(yīng)變εd換算得出，其定義為

式中，E(ε)為蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變能與名義應(yīng)力的比值。公式通?？梢缘玫蕉鄠€符合條件的εd解，通常取εd最大值解為本蜂窩結(jié)構(gòu)對應(yīng)的致密化應(yīng)變，該點過后結(jié)構(gòu)由平臺階段進入致密化階段，壓縮應(yīng)力急劇增大。平均壓縮力計算公式如下：

表4 給出了各類蜂窩結(jié)構(gòu)的εd、S′、M′參數(shù)。由數(shù)據(jù)可知，增加了豎向樹葉形增強的SEH 結(jié)構(gòu)相較CH 結(jié)構(gòu)吸能特性提升較小，SEH-CF 相較CH-CF 提升10.98%，而SEH-PLA 相較CH-PLA 比吸能性能有下降，這與SEH-PLA 受壓時因材料強度低，支撐過早斷裂失效有關(guān)。SEH 結(jié)構(gòu)在受壓時擁有可吸能的塑性鉸數(shù)目較少且結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性差，綜合性能提升較小。

表4 各蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能參數(shù)Table 4 Energy absorption parameters of each honeycomb

DEH 結(jié)構(gòu)在增加了雙向樹葉形支撐后，提升了結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度并增加了塑性鉸數(shù)量，因此有更優(yōu)異的能量吸收性能，DEH-PLA 相較CH-PLA 在比吸能上提升了46.69%。

在材料方面，同種蜂窩結(jié)構(gòu)采用碳纖維增強后，單位質(zhì)量能量吸收性能提升明顯。其中以DEH-CF 組提升幅度為最高，提升了161.58%，結(jié)合2.4 節(jié)分析可知，連續(xù)纖維的路徑規(guī)劃增強了結(jié)構(gòu)的橫向剛度，有效延長了結(jié)構(gòu)壓縮響應(yīng)時的平臺期，是大幅提升DEH 吸能能力的關(guān)鍵因素。

3 結(jié) 論

以圓形蜂窩(CH)為基礎(chǔ)，在其橫向和豎向加入樹葉形支撐，得到了兩種增強型蜂窩結(jié)構(gòu)：單向增強圓形蜂窩(SEH) 和雙向增強圓形蜂窩(DEH)。結(jié)合連續(xù)纖維3D 打印技術(shù)，規(guī)劃了連續(xù)纖維的成型路徑并制造出試驗件，同時設(shè)置聚乳酸(PLA)對照組。對上述蜂窩結(jié)構(gòu)開展了準靜態(tài)壓縮性能和吸能特性研究，得到了以下幾點結(jié)論：

(1) SEH 和DEH 結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)壓縮下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出了多胞材料的典型應(yīng)力響應(yīng)特征，即出現(xiàn)彈性階段、平臺階段和密實化階段；

(2) CH、SEH 和DEH 結(jié)構(gòu)在采用連續(xù)碳纖維3D 打印制造后相較PLA 對照組，抗壓強度分別提高82.88%、42.73%和39.89%，比吸能性能分別提高43.37%、63.17% 和161.58%，平均壓縮力分別提高51.72%、61.81%和96.09%；

(3) 連續(xù)碳纖維增強蜂窩中的纖維束阻止了樹脂基體中裂紋的擴展，防止結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和支撐在受壓時過早斷裂，顯著提升了結(jié)構(gòu)的抗壓縮和吸能性能；

(4) 在連續(xù)纖維3D 打印成型中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的纖維路徑設(shè)計可影響結(jié)構(gòu)的剛度和變形模式。