3D打印晶格梁的振动与阻尼特性研究：多尺度实验-模型-模拟集成分析

这篇综述通过融合实验(FDM)、理论建模(Rayleigh beam理论)和有限元(FE)模拟，系统研究了PLA材料3D打印实体梁与晶格梁（蜂窝/重入式蜂窝结构）的振动阻尼特性。创新性提出相位函数量化阻尼效应，建立void fraction-flexural modulus-damping loss factor三元关联模型，为增材制造结构动态性能优化提供新范式。

　　

亮点

本研究首次通过实验-理论-模拟三位一体方法，揭示了3D打印PLA晶格梁的振动能量耗散机制。高帧率成像技术捕捉悬臂梁近共振响应，创新开发的相位敏感算法显著提升了阻尼参数识别精度。

数学建模

基于Rayleigh梁理论构建动力学模型，引入Kelvin-Voigt黏弹性本构描述PLA材料的应变率依赖性。通过双参数优化策略，从实验数据反演获得弯曲刚度(EI)和阻尼系数(β)，其数值与FE仿真结果高度吻合（误差<5%）。

有限元仿真

在ABAQUS中采用8节点二次壳单元建立简化模型，输入实验标定的(EI,β)参数组。仿真成功复现了蜂窝结构特有的"负泊松比效应"对振动模态的影响，验证了理论模型的普适性。

结果讨论

关键发现：

1. 1.

   重入式蜂窝(RHc)梁的比阻尼损耗因子较实体梁提升47%，归因于晶胞屈曲诱导的微观能量耗散

2. 2.

   建立无量纲关系式η∝(V_f/E)^0.82，揭示孔隙率(V_f)与模量(E)对阻尼的协同调控机制

3. 3.

   双材料晶格梁通过界面滑移效应实现宽频带振动抑制

结论

该工作为智能阻尼材料设计提供新思路：通过编程晶格拓扑参数可定制振动吸收性能。未来将拓展至功能梯度材料和压电复合材料体系研究。