3D打印過(guò)程中的各種打印工藝參數(shù)的設(shè)置，包括打印層厚、打印速度、填充結(jié)構(gòu)、填充角度及填充密度等，都會(huì)對(duì)3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)影響3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的打印時(shí)間和制作成本。打印工藝參數(shù)的設(shè)置通過(guò)影響3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面強(qiáng)度、相鄰絲材、相鄰層間結(jié)構(gòu)的附著力，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及表面質(zhì)量。

研究背景及意義與國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是含孔隙的，且存在層間界面，使得其在使用過(guò)程中易發(fā)生斷裂，所以對(duì)于3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)斷裂性能的研究很有必要。

之后對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，主要包括兩方面：

1. 3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)斷裂性能研究現(xiàn)狀
2. 不同打印工藝參數(shù)對(duì)3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)斷裂性能影響的研究現(xiàn)狀

邊界效應(yīng)模型介紹

對(duì)邊界效應(yīng)模型作以簡(jiǎn)要介紹，通過(guò)對(duì)試件做單邊缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后，將斷裂的峰值載荷$P_{max}$、試件的幾何尺寸以及結(jié)構(gòu)特征參數(shù)$C_{ch}$帶入BEM，就可以直接獲得試件的拉伸強(qiáng)度$f_t$和斷裂韌性$K_{IC}$。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

1. 試件制備與試驗(yàn)
   • 對(duì)3D打印試件的具體成型過(guò)程進(jìn)行闡述，制備了3D打印單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件和拉伸試件。
   • 制備三種不同尺寸類型的單邊缺口三點(diǎn)彎曲相似幾何試件，對(duì)于每組試件預(yù)制不同的初始裂紋長(zhǎng)度$a_0$。對(duì)所有試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，觀測(cè)其斷面，測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度$a_{fic}$。
   • 將三種相似幾何試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別用邊界效應(yīng)模型進(jìn)行統(tǒng)一分析，得出其拉伸強(qiáng)度$f_t$，與在同一工藝參數(shù)設(shè)置下制備的拉伸試件通過(guò)直接拉伸試驗(yàn)得出的拉伸強(qiáng)度值$f_t$進(jìn)行比較，進(jìn)一步說(shuō)明基于BEM來(lái)研究3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂性能更為簡(jiǎn)便。
2. 打印參數(shù)變化試驗(yàn)
   • 改變3D打印構(gòu)件的打印參數(shù)，通過(guò)控制變量法，每次改變一個(gè)參數(shù)，其余參數(shù)保持不變。分別改變打印層厚（0.1mm、0.2mm和0.25mm）、填充角度（45°/135°與0°/90°）以及填充結(jié)構(gòu)（直線結(jié)構(gòu)與蜂窩結(jié)構(gòu)），打印制作單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，得出各自的斷裂峰值載荷$P_{max}$和擴(kuò)展裂紋長(zhǎng)度$a_{fic}$。
   • 對(duì)試件斷面分別進(jìn)行觀測(cè)，得出各個(gè)參數(shù)變化下的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)$C_{ch}$，將相關(guān)參數(shù)帶入BEM計(jì)算3D打印試件的拉伸強(qiáng)度$f_t$和斷裂韌性$K_{IC}$。
   • 對(duì)同一工藝參數(shù)設(shè)定下打印制作拉伸試件做直接拉伸試驗(yàn)，得出拉伸強(qiáng)度$f_t$，將兩種方法得到的$f_t$進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步說(shuō)明BEM是一種更方便的方法可以用來(lái)研究3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂性能，并分析不同的打印參數(shù)對(duì)3D打印試件斷裂性能的影響。

邊界效應(yīng)模型優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

對(duì)于各種材料力學(xué)性能的研究，大部分學(xué)者采用的都是基于各向同性、均質(zhì)材料的經(jīng)典線性彈性斷裂模型（LEFM）或材料強(qiáng)度（SoM）準(zhǔn)則。但是對(duì)于類似于碳纖維、竹子、混凝土和磚墻等這些非均質(zhì)材料的準(zhǔn)脆性斷裂研究，其斷裂性能受微觀結(jié)構(gòu)的影響，本文采用邊界效應(yīng)模型對(duì)3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂性能進(jìn)行研究。

該模型不但可以研究結(jié)構(gòu)的非線彈性斷裂，還可以研究結(jié)構(gòu)的線彈性斷裂，且對(duì)于任意幾何形狀的試件（相似幾何試件、非相似幾何試件）均適用。通過(guò)制作單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，得到峰值載荷$P_{max}$，然后通過(guò)觀測(cè)試件的裂尖損傷區(qū)形式得到其裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度$a_{fic}$，進(jìn)一步確定材料的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)$C_{ch}$。將試件的幾何尺寸、峰值載荷$P_{max}$及結(jié)構(gòu)特征參數(shù)$C_{ch}$帶入BEM，直接得到材料的拉伸強(qiáng)度$f_t$和斷裂韌性$K_{IC}$。而且基于BEM也可以由確定的材料的拉伸強(qiáng)度$f_t$和斷裂韌性$K_{IC}$來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的極限承載力，建立完整的結(jié)構(gòu)破壞曲線，對(duì)于實(shí)際的工程斷裂研究具有重要指導(dǎo)意義。

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的裂尖損傷區(qū)

在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，隨著在試件跨中位置施加的載荷的單調(diào)遞增，會(huì)沿著試件預(yù)先預(yù)制的初始裂紋尖端位置產(chǎn)生任意形狀的裂尖損傷區(qū)，并且損傷區(qū)的分布是隨機(jī)的，大小、形狀及裂尖孔隙率均不一致。在混凝土材料中，裂紋擴(kuò)展會(huì)通過(guò)穿越內(nèi)部的骨料單元一步步實(shí)現(xiàn)。

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