3次元複合材料コアとメタルシートからなる軽量高剛性の複層構造薄板の創製と塑性加工

由 3D 复合材料芯和金属板组成的轻质高刚性多层薄板的创建和塑料加工

基本信息

批准号：
21J11337
负责人：
ZHANG JINGWEI
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

塑性加工可能な金属/ CFRP多層構造の設計コンセプトを提案し、金属/ CFRP多層構造の成形破壊メカニズムを明らかにし、成形プロセス中の破壊モードの正確な予測と効果的な抑制を実現する。破壊モードに及ぼすコア材料の材料特性とトポロジー構造の影響を体系的に研究することにより、コア材料のせん断破壊とパネルの座屈が主な破壊メカニズムであることが明らかになった。成形プロセスの物理モデルを構築することにより、コア材料の必要なせん断強度と、コア材料とパネルの取り付け点との間のギャップの臨界値が推定され、所定の成形半径で良好な成形が保証される。3D CFRPコア材料の連続的かつ効率的な製造は、セグメント化された成形プロセスによって実現され、曲げ剛性は従来の金属/ 2D CFRPコア材料の多層構造の4倍以上であり、室温三次元形状に加工されており、成形性に優れている。成果は、多層構造の設計理論システムを充実させ、完成させる一方で、成形性に優れた多層構造を開発するための新しい設計コンセプトと製造方法を提供する。剛性と成形性を同時に最適化できるトポロジー最適化手法を提案し、曲げ剛性と曲げ成形性に優れた多層構造設計を提案し、構造性能と工学的応用価値を大幅に向上させる。均質化トポロジー最適化手法を四面体マイクロ格子構造と統合することにより、任意の幾何学的形状のマクロ構造のトポロジー最適化を実現し、剛性とエネルギー吸収特性を大幅に向上させたマイクロ格子ドーム構造を設計した。等方性スラブ構造を均質化されたトポロジー最適化アプローチとさらに統合すると、製造可能性、構造効率、構造等方性、および計算効率が向上した。研究成果は、機械的特性の向上を実現するだけでなく、優れた曲げ成形性を確保し、2次元フラット部品に限定されていた従来の多層構造用途の限界を打ち破り、3次元複合部品における多層構造の適用範囲を拡大する。

我们为塑料可行的金属/CFRP多层结构提出了一个设计概念，揭示了金属/CFRP多层结构的成型断裂机理，从而实现了在成型过程中的准确预测和有效抑制断裂模式的。系统地研究核心材料对断裂模式的材料特性和拓扑结构的影响表明，核心物质的剪切裂缝和面板的屈曲是主要的断裂机制。建立成型过程的物理模型估计核心材料所需的剪切强度和面板安装点之间差距的临界值，从而确保在给定的成型半径处进行良好的成型。 3D CFRP核心材料的连续制造是通过分割的成型过程实现的，其弯曲刚度是常规金属/2D CFRP核心材料的多层结构的四倍以上，并被处理成室温三维形状，使其具有极好的模具性。结果为开发高度可塑性的多层结构提供了新的设计概念和制造方法，同时富集和完成多层结构的设计理论系统。我们提出了一种拓扑优化方法，该方法可以同时优化刚性和表现性，并提出了具有出色弯曲刚度和外形性的多层结构设计，可显着提高结构性性能和工程应用程序价值。通过将均匀拓扑优化技术与四面体微观结构相结合，我们实现了任意几何形状的宏观结构的拓扑优化，并设计了具有显着改善的刚度和能量吸收特性的微观圆顶结构。与均质拓扑优化方法的各向同性板结构的进一步整合改善了生产性，结构效率，结构性各向同性和计算效率。研究结果不仅提供了改进的机械性能，而且还可以确保出色的弯曲和可表现性，从而打破了传统的多层结构应用的局限性，这些应用仅限于二维平坦零件，并扩大了3D复合零件中多层结构的应用范围。

项目成果

期刊论文数量（12）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Bending properties of sandwich sheets with metallic face sheets and additively manufactured 3D CFRP lattice cores

具有金属面板和增材制造 3D CFRP 晶格芯的夹层板的弯曲性能

DOI：
10.1016/j.jmatprotec.2021.117437
发表时间：
2022
期刊：
Journal of Materials Processing Technology
影响因子：
6.3
作者：
Zhang Jingwei;Ding Sheng;Yanagimoto Jun
通讯作者：
Yanagimoto Jun

Topology optimization of CFRP hierarchical pyramidal structures fabricated by additive manufacturing

DOI：
10.1016/j.compositesb.2021.109241
发表时间：
2021-11
期刊：
Composites Part B-engineering
影响因子：
13.1
作者：
Jingwei Zhang;J. Yanagimoto
通讯作者：
Jingwei Zhang;J. Yanagimoto

Metadynamic recrystallization in A5083 aluminum alloy with homogenized and as-extruded initial microstructures

DOI：
10.1016/j.msea.2022.142789
发表时间：
2022-02-11
期刊：
MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING
影响因子：
6.4
作者：
Ding, Sheng;Zhang, Jingwei;Yanagimoto, Jun
通讯作者：
Yanagimoto, Jun

Mechanical properties and cold and warm forming characteristics of sandwich sheets with a three-dimensional CFRTP core