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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研究背景及目的

現(xiàn)有仿生設(shè)計(jì)多局限于線性梯度或離散層級(jí)組合，難以復(fù)現(xiàn)橄欖形拓?fù)涮赜械膽?yīng)力均勻化與漸進(jìn)失效特性。本研究突破傳統(tǒng)仿生設(shè)計(jì)范式，首次了提出"橄欖形仿生"梯度晶格結(jié)構(gòu)。新設(shè)計(jì)的橄欖仿生結(jié)構(gòu)在航空航天與醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用潛力。

02

試驗(yàn)方法

借助自然界中橄欖這種果實(shí)的生物性結(jié)構(gòu)，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出橄欖形仿生晶格結(jié)構(gòu)。使用增材制造技術(shù)L-PBF（機(jī)器為雷尼紹AM400）制備式樣樣件，通過線切割技術(shù)將樣件與基板分離。然后超聲波清洗技術(shù)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(cè)得樣件的孔隙率。之后使用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，拍攝并記錄樣件的力學(xué)性能、彈性模型、能量吸收等指標(biāo)。最后再借助Abaqus軟件進(jìn)行仿真模擬以驗(yàn)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(jié)果

(1) 壓縮試驗(yàn)表明，BCCO結(jié)構(gòu)都具備二次與多次承載能力。橄欖型仿生設(shè)計(jì)讓傳統(tǒng)的桿徑由三維桿徑取代，在抵抗載荷時(shí)，會(huì)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(fù)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(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)，BCCO結(jié)構(gòu)的性能最好。BCCO-0.5-10相比較BCCO-0.5-8、BCC-0.86時(shí)，最大應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)具有非常高的抗沖擊性與安全性。

(5) 不同多孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的破壞模式是脆性和延性變形的結(jié)合。

04

結(jié)論

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

(2) 建立了曲率-性能定量關(guān)系。發(fā)現(xiàn)曲率參數(shù)對(duì)力學(xué)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(yīng)力分布梯度調(diào)控結(jié)構(gòu)失效路徑的機(jī)理。BCCO-0.5-10相比較BCCO-0.5-8、BCC-0.86，最大應(yīng)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(diào)的輕量化材料體系。BCCT結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了卓越的靜態(tài)承載能力，較BCCO提升最高59.4%的應(yīng)力，適用于航空航天承力部件；BCCR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)突破性吸能能力，較傳統(tǒng)BCC結(jié)構(gòu)提高了144.44%吸能能力，適用于汽車防撞結(jié)構(gòu)。

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前景與應(yīng)用

BCCT結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了卓越的靜態(tài)承載能力，較BCCO提升最高59.4%的應(yīng)力，適用于航空航天承力部件；BCCR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)突破性吸能能力，較傳統(tǒng)BCC結(jié)構(gòu)提高了144.44%吸能能力，適用于汽車防撞結(jié)構(gòu)。

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作者介紹

石文天，北京工商大學(xué)，教授，博導(dǎo)；主持國家自然基金項(xiàng)目3項(xiàng)；科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（課題）1項(xiàng)；北京市委組織部項(xiàng)目1項(xiàng)；企事業(yè)單位項(xiàng)目若干；申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)，已授權(quán)9項(xiàng)；出版學(xué)術(shù)著作3部；發(fā)表學(xué)術(shù)論文140余篇，其中SCI收錄70余篇；獲中國機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排1），中國循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排6），獲評(píng)《表面技術(shù)》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(fù)合材料精密加工與成形技術(shù)、骨植入器械質(zhì)量控制及設(shè)計(jì)優(yōu)化、食品加工裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化改造等精密加工技術(shù)與智能制造理論技術(shù)、工藝裝備方面的研究與開發(fā)。

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研究方向

研究方向1：芳綸復(fù)合材料精加工與成形技術(shù)

針對(duì)航空航天高強(qiáng)高韌芳綸復(fù)合材料加工質(zhì)量差、刀具磨損嚴(yán)重等問題，建立了表面粗糙度、殘余應(yīng)力、硬度等模型，揭示了碳纖維和芳綸復(fù)合材料等的表面創(chuàng)成機(jī)理，構(gòu)建了加工表面質(zhì)量與切削力、切削振動(dòng)及刀具磨損之間的關(guān)聯(lián)模型，提出高強(qiáng)高韌芳綸復(fù)合材料表面完整性調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工，為高強(qiáng)高韌芳綸復(fù)合材料的高表面質(zhì)量加工提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

研究方向2：骨植入器械質(zhì)量控制及設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)增材制造多孔金屬骨植入器械中孔內(nèi)殘粉及多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，首先采用微磨料氣射流輔助超聲波清洗結(jié)合化學(xué)清洗的工藝方法，對(duì)骨植入器械中的殘粉和掛渣進(jìn)行精準(zhǔn)去除。接著對(duì)難除殘粉采用放電等離子體燒結(jié)工藝，進(jìn)一步進(jìn)行原位固結(jié)。最后通過采用相對(duì)質(zhì)量/體積測(cè)試和微/納米級(jí)CT技術(shù)，對(duì)殘粉去除效果進(jìn)行檢測(cè)。最終開發(fā)出了一種針對(duì)增材制造多孔金屬骨植入器械的殘粉精準(zhǔn)去除+原位固結(jié)+無損檢測(cè)的協(xié)同處理技術(shù)。

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近兩年團(tuán)隊(duì)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(zé)任編輯：惲海艷

責(zé)任校對(duì)： 向映姣

審 核：張 強(qiáng)

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