用于2.5D连续纤维增强格子复合材料的混合结构设计，该设计提升了复合材料在垂直于平面方向（即垂直于纤维方向）的弯曲性能

《COMPOSITE STRUCTURES》：Hybrid structural design for 2.5D continuous fiber-reinforced lattice composites with enhanced out-of-plane bending performance

CFRP-AM制造的2.5D复合CFRLS通过分层结构设计（压缩侧拉伸主导、张力侧单向结构）与优化策略，显著提升抗弯性能达45%-90%。

　　

董科|杨天添|赵东华|郑派|熊毅

系统设计与智能制造学院，南方科技大学，深圳518055，中国

摘要

连续纤维增强聚合物增材制造（CFRP-AM）作为一种有前景的替代传统连续纤维增强晶格结构（CFRLS）制造方法正在兴起，它提供了更大的设计灵活性和更好的机械性能。然而，大多数现有的CFRLS设计通常较为简单，仅限于二维形式，未能充分发挥CFRP-AM在提高机械性能（尤其是弯曲性能）方面的潜力。本文介绍了一种新的CFRP-AM结构设计策略，通过合理结合特定载荷下的晶格设计，构建出具有优异平面外弯曲性能的二维半（2.5D）混合CFRLS。该策略将CFRLS面板分为压缩侧和拉伸侧，并在压缩侧采用以拉伸为主的配置以获得更好的压缩性能，在拉伸侧采用单向结构并加入支撑结构以利用纤维复合材料的各向异性来提高拉伸性能。通过三点弯曲测试、有限元建模和解析模型研究了其弯曲行为、失效机制和性能优化策略。结果表明，所开发的2.5D CFRLS面板在保持轻量化的同时，其平面外弯曲强度相比已报道的CFRP-AM CFRLS设计提高了45.0%至90.0%。

引言

连续纤维增强晶格结构（CFRLS）在航空航天、导航和土木工程领域受到了广泛关注，因为它们具有重量轻、比强度/刚度高以及出色的能量吸收能力[1]、[2]、[3]。最近，连续纤维增强聚合物增材制造（CFRP-AM）技术为制造具有复杂配置和先前无法实现的机械性能的CFRLS提供了有前景的替代方案[4]、[5]、[6]。在过去十年中，大量研究致力于探索通过CFRP-AM设计和制造CFRLS。研究人员提出了多种新型设计，包括蜂窝结构[7]、[8]、[9]、负泊松比结构[10]、[11]以及拓扑优化结构[12]、[13]，以进一步提高晶格的机械性能。尽管已有大量研究关注CFRLS的准静态拉伸和压缩行为，但很少有研究关注其平面外弯曲行为[7]、[8]。然而，在实际应用中，平面外弯曲是晶格结构常见的载荷条件。在这种情况下，弯曲应力从面板的中性轴线性增加，直到顶部和底部表面达到最大值。为了适应局部弯曲应力，抗弯面板的优化拓扑结构需要沿厚度方向进行特定设计，例如空间分布的变尺寸支柱。鉴于CFRP-AM的固有限制，这些设计特征难以甚至无法实现。此外，这种复杂的晶格设计通常伴随着高节点连接性，这使得保证打印路径的连续性和避免接头处材料过度积累变得困难。

混合结构设计是一种典型的介观尺度策略，用于提高晶格结构的机械性能极限[14]、[15]，在开发具有优异平面外弯曲性能的CFRLS方面显示出巨大潜力。通常，混合结构设计结合了现有单元格配置的拓扑特征来创建新的配置[16]。新开发的晶格在很大程度上保留了原始晶格的特性，同时实现了更好的性能，并引入了经典设计无法实现的新特性。例如，Xu等人[14]通过结合内凹和六边形单元格创建了一种“AuxHex”蜂窝结构，与传统设计相比，其杨氏模量、抗压强度和x方向上的能量吸收能力分别提高了38%。Raeisi等人[17]在传统蜂窝结构中加入了负泊松比元素，增强了肋条，从而将抗压强度提高了60%。然而，大多数混合晶格设计都是基于同一平面上的二维（2D）混合单元格开发的，导致整个厚度层中重复相同的层图案。这种平面（2D）混合结构设计不足以应对平面外弯曲载荷的固有三维特性。

我们之前的工作[18]提出了一种自支撑悬浮打印（SSSP）方法，用于构建2.5D混合CFRLS，该方法可以在无支撑的情况下沿厚度方向对各种创新结构进行平面外混合结构设计。然而，这项研究仅限于优化2.5D单元格在单轴载荷下的抗压性能，其中应力分布是轴对称且相对简单的。相比之下，弯曲引起的应力从顶表面到底部呈现出非均匀梯度。这种复杂性不仅需要局部单元格级别的定制，还需要分层架构来适应弯曲应力。本文提出了一种混合设计策略，通过考虑沿晶格厚度的不同弯曲应力状态（例如拉伸和压缩）来提高2.5D CFRLS面板的平面外弯曲性能。我们之前工作[18]中提出的SSSP方法使得创建2.5D CFRLS面板成为可能。首先，在压缩侧放置菱形结构（RS），在拉伸侧放置单向结构（UDS），这种布置利用了UDS的各向异性，而RS则提供了基本的承载框架，防止UDS发生非轴向变形。混合配置结合了两种单元格的优点，从而提高了弯曲强度。其次，为了充分利用纤维复合材料的高拉伸强度，通过两项关键修改进一步优化了混合结构设计：（1）将UDS层混合到压缩侧（RS）中，形成以拉伸为主的配置以改善压缩性能；（2）在拉伸侧引入RS层，为UDS提供有效的支撑，防止其在拉伸载荷下发生畸变屈曲。最后，进行了一系列弯曲测试，并开发了有限元模型和解析模型来研究这些2.5D混合CFRLS的弯曲响应和失效机制。这种分层设计方法具有广泛的应用前景，因为它可以扩展到承受复杂载荷条件的结构部件，在这些情况下，通过调整不同晶格层的分布和组成，可以适应非均匀或梯度应力分布（如弯曲过程中产生的应力）。

材料和工作平台

图1（a）展示了基于CFRP-AM的2.5D CFRLS自支撑悬浮打印（SSSP）方法。这种SSSP方法旨在克服基于FDM（熔融沉积建模）的聚合物基材料制造自支撑悬挑结构的固有难题，因为在FDM中，重力效应常常导致熔融聚合物下垂[19]。通过利用CFRP-AM固有的连续纤维，SSSP方法能够实现悬挑结构的快速打印。

基本和简单混合晶格面板的弯曲性能

图8展示了RS、UDS和RS/UDS面板在三点弯曲测试中的变形特性和机械性能。图8（a-c）显示了相应试样的力-位移曲线、弯曲刚度和强度。图8（d-f）中显示的变形模式与实验结果和模拟结果之间的比较表明，特别是在应力分布和弯曲方面，两者具有良好的一致性。

结论

总之，本文提出了一种基于SSSP方法的有效混合结构设计策略，通过CFRP-AM制造出具有优异平面外弯曲性能的2.5D CFRLS面板。该策略实现了简单晶格结构的平面外混合化，为CFRLS提供了更大的设计自由度，提高了可制造性，例如多样的2.5D结构配置、更简单的工具路径设计以及几何精度更高的接头。

CRediT作者贡献声明

董科：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、概念化。杨天添：研究。赵东华：研究。郑派：撰写——审阅与编辑、资金获取。熊毅：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了广东省教育厅[编号：2022ZDZX3020]；广东省创新与创业研究团队计划[编号：2021ZT09X256]；南方科技大学（深圳）提供的高级专项资金（G03034K003）；香港理工大学的合作研究基金（C6044-23GF）；大学资助委员会的支持校内跨学科项目研究资助计划（1-WZ4N）的支持。