[论文解读] On the additive manufacturing, post-tensioning and testing of bi-material tensegrity structures

Ada Amendola, Everth Hernández-Nava+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2015

Structural Analysis and Optimization参考文献 19被引用 6

一句话总结

本研究提出了一种新型的两步法制造双材料张拉整体结构：首先通过电子束熔融（EBM）技术对钛合金（Ti6Al4V）棱柱进行增材制造，并使用临时支撑以确保结构稳定性，随后通过Spectra纤维进行后张拉。所得结构在轴向压缩下表现出几何非线性、弹性强化行为，验证了理论预测，并展示了其在智能器件和声学应用中作为机械超材料的潜力。

ABSTRACT

An investigation on the additive manufacturing and the experimental testing of 3D models of tensegrity prisms and columns is presented. An electron beam melting facility (Arcam EBM S12) is employed to 3D print structures composed of tensegrity prisms endowed with rigid bases and temporary supports, which are made out of the titanium alloy Ti6Al4V. The temporary supports are removed after the additive manufacturing phase, when Spectra cross-strings are added to the 3D printed models, and a suitable state of internal prestress is applied to the structure. The experimental part of the study shows that the examined structures feature sitffening-type elastic response under large or moderately large axial strains induced by compressive loading. Such a geometrically nonlinear behavior confirms previous theoretical results available in the literature, and paves the way to the use of tensegrity prisms and columns as innovative mechanical metamaterials and smart devices.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、高精度的制造方法，用于通过增材制造与后张拉技术构建复杂双材料张拉整体结构。
• 克服传统手工组装张拉整体系统所面临的挑战，如节点偏心、摩擦和对齐误差。
• 通过实验验证张拉整体棱柱与柱在轴向压缩下的几何非线性、刚化机械响应。
• 探索基于张拉整体的系统作为机械超材料在波控制、抗冲击保护和结构健康监测中应用的潜力。
• 为未来具有内在预应力的多材料增材制造技术及微尺度张拉整体结构的制造奠定基础。

提出的方法

• 使用CAD软件设计三维张拉整体棱柱模型，采用刚性Ti6Al4V基底和三根压杆，包含牺牲支撑以确保EBM过程中的结构稳定性。
• 利用Arcam EBM S12系统在Ti6Al4V粉末上通过电子束熔融（EBM）技术制造中间模型，层厚低于100 µm。
• 后处理：EBM后移除牺牲支撑，随后人工插入并张拉高强度Spectra纤维作为受拉构件。
• 通过后张拉施加受控的内部预应力，以实现所需的初始自平衡状态。
• 对单个棱柱及多棱柱柱（3LRL和3LLL构型）进行准静态轴向压缩测试，以评估其机械响应。
• 采用数字图像相关法（DIC）和位移测量技术捕捉大或中等程度的轴向位移及非线性变形模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 两步法的增材制造与后张拉工艺是否能可靠地制造出具有可控内部预应力的复杂双材料张拉整体结构？
• RQ2 张拉整体棱柱的几何排列（如3LRL与3LLL构型）如何影响其在轴向压缩下的载荷-位移响应？
• RQ3 EBM制造的张拉整体结构是否在大轴向应变下表现出理论预测的几何非线性、弹性强化行为？
• RQ4 多棱柱张拉整体柱的主要失效模式是什么？其与结构构型和应力集中有何关联？
• RQ5 张拉整体系统的机械响应在多大程度上可被调节，以适用于声学或防护器件中的机械超材料？

主要发现

• 所制造的张拉整体柱表现出显著的几何非线性响应，随着轴向压缩的增加，刚度持续提升，证实了理论预测。
• 3LLL构型（所有棱柱同向扭转）在失效前能承受更大的轴向位移（最高达δ ≈ 12 mm），而3LRL构型（相反方向扭转）因应力集中导致在较小位移下即发生失效。
• 3LLL试样的失效模式为顶部棱柱杆从上部接头处脱开，而3LRL试样则因中央棱柱的上下两个接头同时脱开而失效。
• 3LRL试样表现出更严重的非线性及更早的失稳现象，这是由于末端棱柱的反向扭转导致界面处应力集中加剧。
• 3LLL构型在更宽的位移范围内表现出与单个棱柱相似的机械响应，表明其具有更优的载荷分布与稳定性。
• 实验结果验证了具有刚性基底的张拉整体系统理论框架，表明其作为具有可调、强化行为的弹性超材料在压缩下的潜力。