激光增材制造制作的仿生結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能——承載力

承載力通常通過靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)獲得（圖1（a））。從壓縮實(shí)驗(yàn)中獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明了結(jié)構(gòu)的彈性模量、斷裂強(qiáng)度、能量吸收和其他特性。金屬CSs的典型壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為三個階段：彈性、平臺和致密化。彈性階段涉及結(jié)構(gòu)的彈性變形，其中彈性階段的斜率表示彈性模量。壓縮過程中的平臺階段表示結(jié)構(gòu)的間歇性故障。致密化階段表示通過致密化對結(jié)構(gòu)的破壞。必須研究壓縮過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布（圖1（b））和變形模式，以了解性能變化的機(jī)制。

圖1 表征仿生結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的方法：（a）靜態(tài)壓縮；（b）應(yīng)力分布的數(shù)值模擬；（c）根據(jù)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算的能量吸收；（d）加速沖擊試驗(yàn)裝置；（e）細(xì)胞結(jié)構(gòu)的沖擊力和位移與時間的關(guān)系圖。

經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，大自然已成為開發(fā)新材料和結(jié)構(gòu)的重要靈感來源。科學(xué)技術(shù)問題可以通過研究自然結(jié)構(gòu)和材料來解決。激光增材制造已被證明是制造金屬仿生結(jié)構(gòu)的有效方法。近年來，有關(guān)仿生結(jié)構(gòu)的研究，特別是在金屬仿生部件的激光增材制造領(lǐng)域，取得了明顯進(jìn)展。

（1）應(yīng)簡化仿生結(jié)構(gòu)的配置，總結(jié)數(shù)學(xué)規(guī)律。在工程領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，如蜂窩結(jié)構(gòu)，通常是規(guī)則的。我們認(rèn)為，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。生物結(jié)構(gòu)由于其功能的多樣性而通常是復(fù)雜的，并且很難確定仿生結(jié)構(gòu)的構(gòu)型變化規(guī)律。

（2）將開發(fā)用于激光增材制造的仿生結(jié)構(gòu)的特定材料。使用多種材料可以使組件在不同位置表現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)特性，從而滿足仿生結(jié)構(gòu)的要求。開發(fā)與生物材料具有相同機(jī)械性能的金屬或陶瓷粉末材料對于仿生結(jié)構(gòu)的激光增材制造至關(guān)重要。

（3）必須進(jìn)一步改進(jìn)激光增材制造技術(shù)，以制造更精細(xì)的仿生結(jié)構(gòu)。激光光斑的大小決定了激光增材制造組件的*小單位。具有較小光斑尺寸的高功率激光可以改善精密仿生結(jié)構(gòu)的成形性。此外，必須通過優(yōu)化工藝參數(shù)來減少激光增材制造的仿生元件的內(nèi)部和外部缺陷。

（4）人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以促進(jìn)仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在分析生物結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系方面的應(yīng)用越來越多，這將使我們了解生物結(jié)構(gòu)高性能的原因。建模軟件和人工智能的結(jié)合將通過自適應(yīng)模型優(yōu)化簡化仿生結(jié)構(gòu)的建模。