3D打印聚醚醚酮复合材料人工骨的成型参数优化

为了提高3D打印聚醚醚酮(PEEK)人工骨与人骨力学性能匹配度,同时改善PEEK材料生物活性,使用羟基磷灰石(HA)增强生物活性的PEEK丝材,对熔融沉积成型(FDM)PEEK/HA复合材料的成型参数进行了优化。设计了正交试验,对填充方向、打印速度、分层厚度和打印温度等重要因素对试样力学性能的影响规律进行了研究。采用三维全场应变测量分析系统对试样在力学试验中的应变场进行测量,采用微米X射线三维成像系统对试样内部缺陷进行分析,得到了各因素对试样力学性能的影响规律,获得了优化打印参数,并通过细胞黏附与增殖试验验证了PEEK/HA材料的生物相容性。试验结果表明：各因素对拉伸强度的影响程度由大到小依次为打印速度、填充方向、分层厚度、打印温度,最大拉伸强度为69.63 MPa;对弯曲强度的影响程度由大到小依次为填充方向、打印速度、分层厚度、打印温度,最大弯曲强度为99.5 MPa。优化参数打印的PEEK/HA试样的力学性能与人皮质骨相当,且具备了良好的生物活性。     

基于多元逐步回归分析的3D打印模型性能研究

为满足医生对脊柱畸形患者的可视化诊断和病例打印模型低成本高效率的制造需求，本文设计了层高、外壳层厚、底部/顶部厚度、填充密度、打印速度、打印喷头温度、平台温度等7个参数的混合正交试验，采用3D打印中的熔融沉积技术打印标准试样，利用多元逐步回归法建立打印参数与打印模型密度、最大压缩力、抗压强度的函数模型。结果表明：最大压缩力和抗压强度性能均与填充密度、外壳层厚、层高构成了三元一次线性函数模型，密度性能与填充密度、外壳层厚、顶部/底部厚度构成了三元一次线性函数模型。     

FDM 3D打印参数对打印件精度的影响研究

通过三水平三因素正交试验法设计了打印工艺参数,采用FDM快速成型设备打印制件。利用三坐标测量机、粗糙度测量仪研究了不同打印温度、分层厚度、打印速度、摆放位置对打印件尺寸精度及表面粗糙度的影响。测试结果表明:各因素对制件尺寸精度影响水平有差异,存在方向性,在宽度方向尺寸精度较差,长度和高度方向上尺寸精度相对较高。粗糙度测量仪测试结果表明打印件水平面的表面粗糙度比竖直面好。     

高温喷水冷却后钢管高强混凝土轴压性能研究

为揭示高温喷水冷却后钢管高强混凝土的轴压性能,以历经温度、冷却方式、恒温时长和混凝土强度等级为变化参数,设计了20个钢管高强混凝土短柱试件,进行高温喷水冷却后的静力单调轴心受压试验.观察高温喷水冷却后试件及试块的表观变化和破坏形态,分析各变化参数对高温喷水冷却后钢管高强混凝土轴压性能的影响规律,给出了极限承载力计算公式.研究结果表明:随着历经温度的升高,钢管试件表观由浅褐色转变为黑色,试块由青色转变为灰白色;钢管试件极限承载力先升高后降低,而试块承载力逐步降低;钢管试件的力学性能指标随恒温时长的增加呈波动式增长的变化趋势;喷水冷却可以提高试件的力学性能;混凝土强度等级越高的试件力学性能指标表现越好;基于中国规范提出的高温喷水冷却后钢管高强混凝土柱轴压极限承载力计算公式有较好的适用性.     

固化工艺对纤维缠绕炭纤维增强复合材料力学性能的影响

以NOL环试样的拉伸强度作为考察指标,通过对T700/E-51复合材料的固化制度进行正交试验设计,研究了固化工艺对纤维缠绕炭纤维增强复合材料力学性能的影响。对试验结果进行了极差分析和方差分析,结果表明,通过正交试验设计方法研究固化工艺对复合材料性能的影响,可以大大减少试验次数;后固化温度下的保温时间对试件力学性能影响最大;目前采用的固化制度不是最优组合,需要进一步寻求最优组合。     

BFRP模壳不排水加固混凝土墩柱 轴压性能试验研究

为实现不排水快速加固桥梁水下混凝土墩柱目的,基于水下自应力不分散混凝土及“装配式”理念,提出一种BFRP（Basalt Fiber Reinforced Polymer）模壳不排水快速加固水下混凝土墩柱的加固方法. 为研究采用该方法加固的混凝土墩柱的轴压性能,共设计、制作了8个试件进行轴心受压试验,研究了BFRP模壳加固、填充混凝土性能、填充层厚度、养护环境等因素对试件的轴压破坏模式、承载力、延性等的影响. 试验结果表明：BFRP模壳加固可有效提高试件的承载能力与延性;采用水下自应力不分散混凝土作为填充层,掺入适量的膨胀剂,同时控制填充层的加固厚度,有利于获得更好的加固效果;淡水环境下,BFRP模壳加固试件的极限承载力要优于海水环境下的试件等. 根据试验结论及现有的一些约束混凝土柱轴压承载力公式,建议了BFRP模壳约束加固混凝土墩柱的轴压承载力计算公式,理论计算结果与试验结果吻合良好.     

正交胶合竹板单面火损后力学性能试验研究

为研究正交胶合竹板单面火损后的力学性能,通过对12块试件进行承载力试验,分析了不同火损时长、不同阻燃处理方式对正交胶合竹板炭化性能和残余承载力的影响.结果表明,相同阻燃处理方式下正交胶合竹板的炭化程度随火损时长增加而增加,残余承载力随火损时长增加而降低.当火损时长相同时,不同阻燃处理方式下正交胶合竹板的炭化速度由高到低...     

冷却方式对高温后方钢管再生混凝土短柱轴压性能的影响

以再生骨料取代率、经历最高温度、冷却方式为参数,设计37根高温后方钢管再生混凝土短柱进行轴压试验,探讨不同冷却方式下试件破坏形态、剩余承载力和轴压刚度的变化规律和剩余承载力计算方法.结果表明:所有试件发生钢管撕裂和钢管鼓曲斜压破坏两种形式;试件荷载-位移曲线变化趋势相似,依次受再生骨料取代率、冷却方式、经历最高温度的影响差异越明显;无论是哪种冷却方式,试件剩余承载力和初始刚度随着经历最高温度的增加而出现波动式的降低趋势,受再生骨料取代率的波动影响不显著;与自然冷却相比,喷水冷却后试件剩余承载力和初始刚度降低,最大降幅可达82. 3%和50. 9%;最后提出能够考虑再生骨料取代率、经历温度和冷却方式影响的剩余承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合良好.     

PEI板材粘性介质温热胀形及有限元分析

根据不同温度条件下聚醚酰亚胺（PEI）力学性能和粘性介质压力成形原理,采用胀形和有限元分析方法对PEI板材粘性介质温热胀形过程进行研究,得到了不同温度条件下PEI板材的极限胀形试件高度以及变形过程应力与速度场的变化规律,分析了粘性介质温热成形对极限胀形试件的壁厚分布、透光性以及表面粗糙度的影响。研究结果表明：PEI板材在20~150 ℃范围内,随着温度的升高,材料等效应力分布梯度与材料流动速度分布梯度逐渐减小,试件变形更加均匀;PEI板材粘性介质温热胀形试件的最大壁厚减薄率在胀形试件中心呈现区域性分布,最大壁厚减薄率区域面积随着变形温度升高而增大,试验结果与有限元分析结果基本吻合;此外,通过对于PEI板材胀形试件的观测和粗糙度的测量,发现胀形过程没有对零件表面质量造成影响。     

PEI板材黏性介质温热胀形及有限元分析

根据不同温度条件下聚醚酰亚胺(PEI)力学性能和黏性介质压力成形原理,采用胀形和有限元分析方法对PEI板材黏性介质温热胀形过程进行研究,得到了不同温度条件下PEI板材的极限胀形试件高度以及变形过程应力与速度场的变化规律,分析了黏性介质温热成形对极限胀形试件的壁厚分布、透光性以及表面粗糙度的影响。研究结果表明:PEI板材在20~150℃范围内,随着温度的升高,材料等效应力分布梯度与材料流动速度分布梯度逐渐减小,试件变形更加均匀;PEI板材黏性介质温热胀形试件的最大壁厚减薄率在胀形试件中心呈现区域性分布,最大壁厚减薄率区域面积随着变形温度升高而增大,试验结果与有限元分析结果基本吻合;此外,通过对于PEI板材胀形试件的观测和粗糙度的测量,发现胀形过程没有对零件表面质量造成影响。     

玄武岩FRP模壳不排水加固混凝土墩柱轴压性能有限元研究

玄武岩FRP模壳(简称BFRP模壳)可用于桥梁水下桩基、桥墩等混凝土墩柱的不排水快速加固。本文在BFRP模壳加固混凝土墩柱轴压试验研究基础上,通过ABAQUS有限元软件建立了相应的有限元分析模型,并与试验结果进行比较分析,验证了该有限元模型是可靠有效的。然后在此模型基础上,分析了混凝土填充量、填充混凝土强度、BFRP模壳约束强度及尺寸效应等参数对BFRP不排水加固混凝土墩柱轴压性能的影响。结果表明：增加混凝土填充量能提高试件的承载力,但承载力提高幅度并非随着填充量的增加而增加,而是趋于稳定;填充层混凝土强度等级越高,加固试件承载能力越高,但提高幅度随填充混凝土强度等级的提高而不断减小,填充层混凝土强度等级的变化对加固试件的延性性能影响相对较弱;增强BFRP模壳连接部分的约束强度能提高加固试件的承载力,当连接部分的强度接近非连接部分的强度时,承载力的提高幅度最大;BFRP模壳加固轴心受压柱的峰值荷载存在尺寸效应,轴压峰值荷载提高系数随墩柱尺寸的增加而减小。最后,建议了BFRP模壳约束加固混凝土墩柱的轴压承载力计算公式,理论计算结果与试验结果及模拟结果吻合良好。     

基于图像识别仿生木纹的三维打印路径规划方法

针对传统三维打印采用的诸如网格、三角等均匀同构介观结构填充存在结构效率低、与承载零件应力场不协调等问题,受自然生长的木纹可提高木材整体性能的启发,提出基于图像识别仿生木纹的三维打印路径规划方法,旨在借鉴木材的纤维排布以改善零件的机械性能。通过木材铣削分层,依次提取各层图像木纹并生成对应打印路径,并逐层打印出仿生木纹试件。拉伸试验结果表明：相比同质量的网格填充、三角填充、直线填充三种传统均匀同构填充试件,基于仿生木纹的非均匀异构打印试件最大拉伸载荷分别提高了115.03 %、72.89 %、64.39 %,证明了基于仿生木纹的非均匀介观填充结构能够显著提高打印件拉伸强度。     

钢管约束橡胶混凝土短柱轴心受压力学特性研究

目的研究钢管约束橡胶混凝土短柱轴心受压的力学性能.方法设计了16根圆柱体短柱,混凝土强度等级为C30与C40,以不同参数的橡胶粉和不同厚度钢管进行两组正交试验.对试件荷载的横纵向变形曲线,应变曲线进行分析.并通过正交分析的方法得到各个参量的最优水平组合.结果所有试件均为剪切破坏,随着橡胶掺量的增加,其刚度与极限承载力不断降低.当橡胶混凝土强度等级和体积取代率一致时,随含钢率增大,极限承载力也随之增加.由正交试验结果分析得出最优水平组合为橡胶体积取代率10%,橡胶粒径380μm,含钢率11.9%.结论利用笔者提出的承载力公式所得计算结果与试验值基本吻合,且理论值偏低,满足安全与使用要求.     

PLA增减材工艺设计及其表面粗糙度测量分析

为提高聚乳酸(PLA)熔融沉积(FDM)成形件的表面质量,拓宽PLA成形件的应用领域,使用MakerBot Replicator Mini成形机和JTGK-500H高速数控雕铣机设备,以直径1.75 mm的PLA丝材为原材料,进行增材制造与减材加工复合工艺设计及其表面粗糙度试验研究。增材成形层厚0.05 mm,送丝速度40 mm/s,熔丝温度215℃,制备了PLA长方体试验件(100 mm×100 mm×50 mm),并对FDM试验件进行多次铣削加工,其工艺参数为主轴转速800～10 000 r/min,进给速度500～700 r/min,背吃刀量0.1～0.3 mm,得到9组成形表面的粗糙度数值0.872、0.750、0.676、0.852、0.776、0.654、0.839、0.732、0.670μm。通过正交试验分析,确定了PLA成形件表面的最佳铣削参数,为增材制造成形件二次加工提供了试验研究基础。     

BFRP模壳不排水加固墩柱轴压性能有限元分析

在玄武岩FRP模壳(简称BFRP模壳)加固混凝土墩柱轴压试验研究基础上,通过ABAQUS有限元软件建立相应的有限元分析模型,并与试验结果进行比较分析,验证该有限元模型是可靠有效的.然后分析混凝土填充量、填充混凝土强度、 BFRP模壳约束强度及尺寸效应等参数对BFRP不排水加固混凝土墩柱轴压性能的影响.结果表明:增加混凝土填充量能提高试件的承载力,但承载力提高幅度并非随着填充量的增加而增加,而是趋于稳定;填充层混凝土强度等级越高,加固试件承载能力越高,但提高幅度随填充混凝土强度等级的提高而不断减小;增强BFRP模壳连接部分的约束强度能提高加固试件的承载力,当连接部分的强度接近非连接部分的强度时,承载力的提高幅度最大; BFRP模壳加固轴心受压柱的峰值荷载存在尺寸效应,轴压峰值荷载提高系数随墩柱尺寸的增加而减小.最后,给出BFRP模壳约束加固混凝土墩柱的轴压承载力建议计算公式,理论计算结果与试验结果及模拟结果吻合良好.     

薄壁圆钢管再生混凝土混合中长柱轴压力学性能

目的研究薄壁圆钢管再生混凝土混合中长柱的受力机理和力学性能,为钢管再生混凝土中长柱轴心受压设计提供理论依据.方法以截面含钢率、再生块体取代率和长细比为试验参数,设计了12根薄壁圆钢管再生混凝土混合中长柱,并对其破坏形式和特征、荷载-跨中挠度曲线、荷载轴向位移曲线以及承载力的敏感影响因素进行深入的研究.结果试验结果表明:当块体取代率由20%增至60%时,试件的极限承载力有一定程度的下降,延性无明显变化;当含钢率由0.038增至0.079时,其后期承载力提高约30%;当长细比由25增至35时,试件的极限承载力有所下降,但下降幅度不明显.结论含钢率能够明显提高试件的极限承载力和延性,再生块体取代率、长细比对承载力和延性的影响较小.     

钢管再生混凝土组合柱偏心受压性能试验研究

为了研究压弯荷载作用下钢管再生混凝土组合柱的力学性能,以再生粗骨料取代率、偏心距、含钢率和长细比为参数,设计了16根组合柱试件进行轴心受压和偏心受压试验.研究结果表明:钢管再生混凝土组合柱偏压破坏过程和承载性能与普通混凝土的相似,受再生粗骨料取代率的影响不大;与轴压试件相比,偏压试件的初始刚度、极限承载力和变形能力减小;钢管含钢率增加或长细比减小,试件的抗弯刚度和极限承载力提高.试验结果分析基础上,建议采用能够考虑钢管作用以及对核心混凝土约束作用影响的计算方法进行压弯承载力设计.     

基于矩阵分析法的FDM样件翘曲变形参数优化研究

为了解决熔融沉积3D打印成型过程中常见的翘曲变形问题,对影响成型件翘曲变形的主要因素喷嘴温度、填充速度和分层厚度进行分析并制定了正交试验方案.采用矩阵分析方法,分析了三因素对翘曲变形量的综合影响程度,得到了最优工艺参数组合:喷嘴温度为215℃,填充速度为60mm/s,分层厚度为0.2mm.综合影响的显著程度由高到低依次为填充速度、分层厚度和喷嘴温度.     

无托槽隐形正畸矫治器牙模轻量化

为了降低无托槽隐形正畸矫治器的制造成本,基于增材制造设计(DfAM)准则对光固化3D打印的树脂牙颌模型进行轻量化研究。运用宏观拓扑优化和介观点阵填充,建立7种优化的牙模,通过ANSYS有限元仿真选取3种最佳的牙模进行3D偏差实验研究,对其在压膜环境下的物理和力学性能进行评估。结果表明,在保证隐形矫治器的制造精度前提下,二维蜂窝点阵填充的牙模相比初始牙模质量降比达到21.67%,是最佳的轻量化设计方案。     

夏热冬冷地区低温辐射地板供暖影响因素的正交试验

本文主要研究夏热冬冷地区低温辐射地板供暖影响因素。采用L25(56⁾的正交试验方法探究供水温度、管间流速、管径、管间距、填充层厚度5因素对地板表面平均温度和均匀度的影响,获得各因素对试验指标的影响趋势、显著性程度和组合的最优解。研究表明：对地板表面平均温度的影响程度为供水温度>管间距>管径>填充层厚度>管间流速,对均匀度的影响程度为管间距>供水温度>填充层厚度>管径>管间流速,最优水平组合为,(A)供水温度取35℃,(B)管间流速取0.4 m/s,(C)管径取16 mm,(D)管间距取100 mm,(E)填充层厚度取75 mm。试验结果为夏热冬冷地区辐射供暖设计提供借鉴,亦可对数值分析软件与统计学的结合提供思路。