双轴压缩下各向异性Octet点阵力学行为实验研究
一. 研究背景
点阵结构因其轻质、高比刚度、优良的能量吸收能力而广泛应用于航空航天、汽车、防护装备等领域。随着增材制造技术的快速发展，尤其是熔融沉积建模技术的普及，研究者可以更灵活地设计并制造出具有复杂拓扑结构的点阵材料。其中，Octet点阵因其轴向变形主导的力学机制，表现出极高的初始刚度和强度，成为研究热点。
然而，现有研究大多仅通过沿打印方向的单轴压缩实验来评估点阵的力学性能，这难以反映实际应用中点阵所承受的复杂多轴载荷。此外，FDM工艺固有的逐层打印方式会导致材料性能对打印角度敏感，使得理论上具有立方对称性的Octet点阵在实际中表现出明显的各向异性。因此，综合考虑加载方式与制造诱导各向异性的影响，系统研究点阵在多轴载荷下的力学行为，具有重要的理论与工程意义。
本研究采用自制的双轴压缩实验装置，对FDM打印的Octet点阵开展多种加载模式下的实验研究，探索其在复杂应力状态下的变形机制与能量吸收特性。
[图片：Octet点阵的几何结构及其打印角度依赖的材料特性示意]
二. 材料及试验
本研究选用Polymax™ PLA作为打印材料，其具有良好的韧性和延展性，适合用于大变形实验。Octet点阵的单胞边长为10 mm，支柱直径为1.17 mm，设计相对密度为15%。通过线性阵列形成5×5×5的单胞组合，最终样品尺寸为50 mm × 50 mm × 50 mm。所有样品均采用FDM技术打印，打印层厚为0.15 mm，喷嘴温度为205°C。
实验采用自主研发的四通道电磁驱动双轴试验机，四个加载单元可独立控制，能够实现单轴压缩、约束单轴压缩（限制横向膨胀）和双轴压缩等多种加载模式。为避免加载过程中夹具之间的相互干扰，设计了梳齿状夹具，确保各方向独立运动。实验过程中，两个方向的加载速度均为0.125 mm/s，应变率为0.005/s。
为考察打印诱导各向异性的影响，实验共设计了七种加载场景，分别对应不同加载方向与样品布局组合，包括：沿打印方向或横向的单轴压缩、约束单轴压缩以及双轴压缩。每个场景至少重复两次以确保数据可靠性。
[图片：自制双轴试验机结构示意]
[图片：梳齿状夹具设计及其安装方式]
三. 结果与讨论
实验结果显示，Octet点阵在所有加载场景下均表现出典型的轴向变形主导行为：高初始屈服应力后伴随显著的应力下降，随后进入波动性平台区，直至致密化。这种应力波动在单轴压缩沿横向加载时尤为剧烈，表现出明显的各向异性响应。相比之下，沿打印方向加载时，应力平台更稳定，变形更均匀。
在约束单轴压缩中，当横向膨胀被限制时，沿打印方向压缩的样品在后期应力水平有所提升，而沿横向压缩的样品则表现出更高的横向反力，说明约束条件对点阵的应力状态有显著影响。特别是在C-II和C-III场景中，由于横向压缩引发剪切带形成，导致应力急剧下降，后续平台应力较低。
在双轴压缩中，B-I场景（打印方向受载）表现出四方向应力曲线高度一致，变形对称，核心区域细胞未被完全压实；而B-II场景（两横向同时受载）则出现不对称的“≥≥”形剪切带，导致四方向应力曲线不一致，说明双轴加载下变形机制更复杂，能量吸收效率下降。
通过对比不同加载方向下的应力-应变曲线，发现压缩沿横向方向会引发更剧烈的应力下降和更低的平台应力，而沿打印方向则表现出更稳定的后屈服行为。进一步分析表明，这种差异源于不同角度支柱的受力机制：0°支柱（平行打印床）更强韧，而45°支柱更脆，在横向压缩中易发生早期断裂，导致结构失稳。
[图片：单轴压缩下沿打印方向与横向的应力-应变曲线对比]
[图片：B-I场景下的应力-应变曲线与变形演化]
[图片：B-II场景下的应力-应变曲线与变形演化]
在能量吸收方面，单轴压缩沿横向的能量吸收最低，而双轴压缩或约束压缩可显著提升能量吸收能力。尤其是B-I场景，尽管核心区域未被完全压实，但其单位体积吸收能量仍高于大多数单轴场景。通过计算比吸能，进一步验证了双轴加载下各向异性影响的减弱。
最后，研究基于能量准则确定了各加载场景下的初始屈服点，并将其映射到von Mises有效应力-平均应力空间中，初步构建了Octet点阵的初始屈服面。尽管数据点有限，但仍可为后续数值模拟提供实验验证基础。
[图片：各加载场景下单位体积能量吸收与比吸能演化曲线]
四. 总结
本研究系统探讨了FDM打印Octet点阵在单轴、约束单轴和双轴压缩下的力学响应与能量吸收特性，揭示了加载方式与制造诱导各向异性对点阵行为的耦合影响。主要结论如下：
Octet点阵在所有加载场景下均表现出高初始屈服应力后的显著应力下降，影响能量吸收效率；
沿横向压缩时，点阵表现出更剧烈的应力波动与变形局部化，显示出明显的各向异性；
双轴压缩下，应力-应变曲线更平滑，各向异性影响减弱，但变形机制更复杂；
约束横向膨胀可提升后屈服应力水平，并诱导额外横向反力；
不同加载方式下形成的变形带形态与位置高度依赖于加载方向与夹具布置；
双轴加载下，点阵的能量吸收能力普遍优于单轴横向加载，但核心区域未被完全压实，存在能量利用效率提升空间。
本研究为点阵结构在复杂载荷环境下的应用提供了可靠的实验数据与理论依据，也为后续多轴本构模型的建立与数值仿真验证奠定了基础。