3D打印過程中的各種打印工藝參數的設置，包括打印層厚、打印速度、填充結構、填充角度及填充密度等，都會對3D打印復合結構的力學性能產生影響，同時也會影響3D打印復合結構的打印時間和制作成本。打印工藝參數的設置通過影響3D打印復合結構的界面強度、相鄰絲材、相鄰層間結構的附著力，最終影響整個結構的強度及表面質量。

研究背景及意義與國內外研究現狀

3D打印復合結構實質上是含孔隙的，且存在層間界面，使得其在使用過程中易發(fā)生斷裂，所以對于3D打印復合結構斷裂性能的研究很有必要。

之后對國內外研究現狀進行闡述，主要包括兩方面：

1. 3D打印復合結構斷裂性能研究現狀
2. 不同打印工藝參數對3D打印復合結構斷裂性能影響的研究現狀

邊界效應模型介紹

對邊界效應模型作以簡要介紹，通過對試件做單邊缺口三點彎曲試驗后，將斷裂的峰值載荷$P_{max}$、試件的幾何尺寸以及結構特征參數$C_{ch}$帶入BEM，就可以直接獲得試件的拉伸強度$f_t$和斷裂韌性$K_{IC}$。

實驗過程與結果分析

1. 試件制備與試驗
   • 對3D打印試件的具體成型過程進行闡述，制備了3D打印單邊缺口三點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彎曲相似幾何試件，對于每組試件預制不同的初始裂紋長度$a_0$。對所有試件進行三點彎曲試驗，觀測其斷面，測量裂紋擴展長度$a_{fic}$。
   • 將三種相似幾何試件的試驗數據分別用邊界效應模型進行統(tǒng)一分析，得出其拉伸強度$f_t$，與在同一工藝參數設置下制備的拉伸試件通過直接拉伸試驗得出的拉伸強度值$f_t$進行比較，進一步說明基于BEM來研究3D打印復合結構的斷裂性能更為簡便。
2. 打印參數變化試驗
   • 改變3D打印構件的打印參數，通過控制變量法，每次改變一個參數，其余參數保持不變。分別改變打印層厚（0.1mm、0.2mm和0.25mm）、填充角度（45°/135°與0°/90°）以及填充結構（直線結構與蜂窩結構），打印制作單邊缺口三點彎曲試件，對其進行試驗，得出各自的斷裂峰值載荷$P_{max}$和擴展裂紋長度$a_{fic}$。
   • 對試件斷面分別進行觀測，得出各個參數變化下的結構特征參數$C_{ch}$，將相關參數帶入BEM計算3D打印試件的拉伸強度$f_t$和斷裂韌性$K_{IC}$。
   • 對同一工藝參數設定下打印制作拉伸試件做直接拉伸試驗，得出拉伸強度$f_t$，將兩種方法得到的$f_t$進行對比分析，進一步說明BEM是一種更方便的方法可以用來研究3D打印復合結構的斷裂性能，并分析不同的打印參數對3D打印試件斷裂性能的影響。

邊界效應模型優(yōu)勢與應用

對于各種材料力學性能的研究，大部分學者采用的都是基于各向同性、均質材料的經典線性彈性斷裂模型（LEFM）或材料強度（SoM）準則。但是對于類似于碳纖維、竹子、混凝土和磚墻等這些非均質材料的準脆性斷裂研究，其斷裂性能受微觀結構的影響，本文采用邊界效應模型對3D打印復合結構的斷裂性能進行研究。

該模型不但可以研究結構的非線彈性斷裂，還可以研究結構的線彈性斷裂，且對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。通過制作單邊缺口三點彎曲試件，對其進行試驗，得到峰值載荷$P_{max}$，然后通過觀測試件的裂尖損傷區(qū)形式得到其裂紋擴展長度$a_{fic}$，進一步確定材料的結構特征參數$C_{ch}$。將試件的幾何尺寸、峰值載荷$P_{max}$及結構特征參數$C_{ch}$帶入BEM，直接得到材料的拉伸強度$f_t$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度$f_t$和斷裂韌性$K_{IC}$來預測結構的極限承載力，建立完整的結構破壞曲線，對于實際的工程斷裂研究具有重要指導意義。

三點彎曲試驗中的裂尖損傷區(qū)

在三點彎曲試驗中，隨著在試件跨中位置施加的載荷的單調遞增，會沿著試件預先預制的初始裂紋尖端位置產生任意形狀的裂尖損傷區(qū)，并且損傷區(qū)的分布是隨機的，大小、形狀及裂尖孔隙率均不一致。在混凝土材料中，裂紋擴展會通過穿越內部的骨料單元一步步實現。

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