伦敦帝国理工院士顶刊丨电弧增材制造钢结构的优化与承载能力测试
文章摘要
本研究聚焦于电弧增材制造（WAAM）技术在制造方形中空截面（SHS）支撑柱方面的性能优化。研究团队通过WAAM制造了六种不同宽厚比的标准SHS和两种优化加固的SHS，并进行了局部屈曲行为的测试与分析。利用3D激光扫描和数字图像相关（DIC）技术，研究者详细捕捉并测量了WAAM样本的几何特征和结构响应。
实验结果显示，虽然WAAM SHS在短柱范围内具有可比的承载能力，但在细长柱范围内的局部屈曲性能较差。与Eurocode 3（EC3）的预测相比，现有的设计方法可能对WAAM钢元件过于乐观。优化后的加筋SHS在结构效率上表现出显著提升，承载能力和变形能力均有所增强。这项研究不仅为WAAM结构元件的设计提供了新的见解，也为未来在建筑等领域的应用奠定了基础。
电弧增材制造（WAAM）是一种用于金属3D打印的定向能量沉积（DED）方法，能够以相对较高的速度和低成本生产复杂零件。尽管WAAM在建筑应用中具有巨大潜力，但对于WAAM结构元件的性能了解仍不足，其几何自由度尚未充分利用。为了解决这个问题，伦敦帝国理工学院研究员孟欣与英国皇家工程院院士Leroy Gardner等人合作在Thin-Walled Structures（中科院2区，影响因子6.4）上发表了最新研究成果Optimisation and testing of wire arc additively manufactured steel stub columns，研究了碳钢WAAM元件的局部屈曲行为，探索了通过优化实现改进结构效率的机会。
论文研究重点
图14. WAAM SHS支撑柱试验装置
图15. 来自支撑柱试验的负荷端缩短曲线，分别针对（a）8毫米厚的样本和（b）3.5毫米厚的样本
图16. WAAM支撑柱的破坏模式
图17. 样本S2的SHS和一个角加筋之间的局部断裂
图18. 从DIC结果获得的典型离平面位移场，分别针对样本P3（左）、S1（中）和S2（右）在极限后阶段 
本研究探讨了采用电弧增材制造（WAAM）技术制造的标准和优化的方形中空截面（SHS）支撑柱的性能。首先进行了基于弹性屈曲应力的优化研究，以找出最佳的加筋配置以抵抗局部屈曲。通过采用高强度钢丝材料，使用不同的工具路径和构建角度，制造了八个SHS样本，包括六个普通SHS和两个加强的SHS，这些加强SHS采用了优化的内部加筋配置。使用3D激光扫描技术分析了WAAM样本独特的波浪状几何形状，进行了关键横截面尺寸的统计分析，同时使用扫描数据揭示了局部几何缺陷的分布情况。
对WAAM支撑柱样本进行了轴向压缩试验，采用了建造材料性能为基准的归一化方法。结果显示，在较宽厚比范围内，WAAM SHS的承载能力与传统制造的SHS相似，但在较瘦长范围内性能较差。此外，现有的欧洲规范3（Eurocode 3）设计方法被发现在预测瘦长WAAM SHS的局部屈曲抗力时存在过高的预测值，但需要进一步的测试数据来验证这一发现。最后，通过优化加筋的SHS显示出了与添加的加筋质量相比，强度和变形能力显著提高，表明金属增材制造通过结构优化具有提高材料利用效率的巨大潜力。
引用: Xin Meng, Ben Weber, Masashi Nitawaki, Leroy Gardner, Optimisation and testing of wire arc additively manufactured steel stub columns, Thin-Walled Structures, 189, 2023, 110857, 0263-8231.
