通过不同的扫描策略提高DP980与CFRP之间激光圆周焊接的连接强度

《COMPOSITE STRUCTURES》：Enhance the joining strength of laser circle welding between DP980 and CFRP with different scanning strategies

本研究提出了一种基于CFRP-AM的2.5D混合CFRLS结构设计策略，通过合理组合压缩侧的菱形结构（RS）和拉伸侧的单向结构（UDS），利用纤维各向异性提升抗弯性能。实验与模拟表明，该设计使抗弯强度较传统结构提升45%-90%，同时保持轻量化

　　

董珂|杨天田|赵东华|郑培|熊毅

摘要

连续纤维增强聚合物增材制造（CFRP-AM）作为一种新兴技术，正成为传统连续纤维增强格子结构（CFRLS）制造方法的有力替代方案，它提供了更大的设计灵活性和更优异的机械性能。然而，现有的大多数CFRLS设计通常较为简单，且仅限于二维形式，因此CFRP-AM在提升机械性能（尤其是弯曲性能）方面的潜力尚未得到充分发掘。本文提出了一种创新的CFRP-AM结构设计策略，通过合理组合特定载荷下的格子结构，实现了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面板划分为压缩侧和拉伸侧，并在相应侧部署特定载荷下的格子结构：压缩侧采用以拉伸为主的配置以提升压缩性能；拉伸侧采用单向结构并添加支撑结构，以利用纤维复合材料的各向异性来增强拉伸性能。通过三点弯曲测试、有限元建模和解析模型，研究了这些结构的弯曲行为、失效机制及性能优化策略。结果表明，所开发的2.5D CFRLS面板在保持轻量化的同时，其平面外弯曲强度比现有的CFRP-AM设计提高了45.0%至90.0%。

引言

连续纤维增强格子结构（CFRLS）因具有轻质、高比强度/刚度以及出色的能量吸收能力，在航空航天、导航和土木工程领域受到了广泛关注[1],[2],[3]。近年来，连续纤维增强聚合物增材制造（CFRP-AM）技术为制造具有复杂结构和前所未有的机械性能的CFRLS提供了新的解决方案[4],[5],[6]。过去十年中，大量研究致力于探索通过CFRP-AM设计和制造CFRLS的方法。研究人员提出了多种新型结构，包括蜂窝状[7],[8],[9]、负泊松比结构[10],[11]以及拓扑优化结构[12],[13]，以进一步提升格子结构的机械性能。尽管已有大量研究关注CFRLS的准静态拉伸和压缩行为，但关于其平面外弯曲行为的研究却相对较少[7],[8]。实际上，在实际应用中，格子结构经常面临平面外弯曲载荷。在这种情况下，弯曲应力从面板的中性轴线性增加，直至顶部和底部表面达到最大值。为了应对这种局部弯曲应力，需要沿厚度方向进行特定设计，例如使用尺寸可变的分布式支撑结构。然而，鉴于CFRP-AM的固有局限性，实现这些复杂设计颇具挑战性。此外，复杂的格子结构通常伴随着较高的节点连接度，这给打印路径的连续性和避免接头处材料堆积带来了困难。

混合结构设计是一种常见的介观尺度策略，用于提升格子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方面展现出巨大潜力。这种设计通常结合现有单元格配置的拓扑特征来创建新的结构[16]。新开发的格子结构在很大程度上保留了原有格子的特性，同时实现了更优的性能，并引入了传统设计无法实现的新功能。例如，Xu等人[14]通过结合凹形和六边形单元格创造了“AuxHex”蜂窝结构，其杨氏模量和抗压强度得到提升，x方向的能量吸收能力提高了38%。Raeisi等人[17]在传统蜂窝结构中加入了负泊松比元素，增强了肋部的拉伸性能，使抗压强度提高了60%。然而，大多数混合格子结构都是基于同一平面上的二维（2D）混合单元格开发的，导致整个厚度的层图案重复。这种平面（2D）混合结构设计不足以应对平面外弯曲载荷的三维特性。

我们之前的工作[18]提出了一种自支撑悬浮打印（SSSP）方法，用于制造2.5D混合CFRLS，该方法能够在无支撑的情况下实现沿厚度方向的复杂结构设计。然而，该研究仅限于优化在单轴载荷下2.5D单元格的抗压性能，此时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面到底面呈非均匀分布。这种复杂性要求不仅需要在单元格层面进行局部调整，还需要分层架构来应对弯曲应力。本文提出了一种混合设计策略，通过考虑沿格子厚度变化的弯曲应力分布（如拉伸和压缩），来提升2.5D CFRLS面板的平面外弯曲性能。我们之前的SSSP方法为实现2.5D CFRLS面板创造了条件。首先，在压缩侧放置菱形结构（RS），在拉伸侧放置单向结构（UDS），这种布局利用了UDS的各向异性，同时RS为UDS提供了基本的承载框架，防止其发生非轴向变形。这种混合配置结合了两种单元格的优点，提升了整体弯曲强度。其次，通过两项关键改进进一步优化了混合结构设计：（1）将UDS层整合到压缩侧（RS），形成以拉伸为主的配置以提升压缩性能；（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，通过一系列弯曲测试评估了这些2.5D混合CFRLS的性能，并建立了有限元模型和解析模型来研究其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，可以应用于承受复杂载荷的结构部件，通过调整不同格子层的分布和组成，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。该方法克服了基于FDM（熔融沉积建模）制造自支撑悬挑结构的固有难题，因为重力效应常会导致熔融聚合物下垂[19]。通过利用CFRP-AM中的连续纤维，SSSP方法实现了悬挑结构的快速打印。

基本和简单混合格子板的弯曲性能

图8展示了RS、UDS以及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）展示了相应试样的力-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仿真结果之间的比较表明，两者在应力分布和弯曲特性方面具有良好的一致性。

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。该策略将简单格子结构进行平面外混合，实现了更复杂的设计，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。通过这种方法，

CRediT作者贡献声明

董珂：撰写初稿、方法论制定、数据分析、概念构思。杨天田：实验研究。赵东华：实验研究。郑培：撰写、审稿与编辑、资金申请。熊毅：撰写、审稿与编辑、指导、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省教育厅[编号：2022ZDZX3020]、广东省创新创业研究团队计划[编号：2021ZT09X256]、南方科技大学[编号：G03034K003]的高水平专项经费、香港理工大学大学拨款委员会的合作研究基金[C6044-23GF]以及香港理工大学内部跨学科项目研究资助计划[编号：1-WZ4N]的支持。