АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ХИРАЛЬНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ НА ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Аннотация


Метаматериалы – это искусственно созданные материалы, необычные свой-ства которых обусловлены их геометрической структурой, а не химическим соста-вом базового материала. Управление физико-механическими свойствами через структуру является принципиальным для метаматериалов. Инструменты численно-го анализа, используемые в данной работе, обладают преимуществом перед натурными испытаниями благодаря автоматизации работ и сниженным матери-альным и финансовым расходам. В данной работе исследуется тетрахиральный метаматериал в условиях одноосного сжатия. Базовый материал описывается как упругая среда. Выполнен анализ влияния особенностей структурной организации метаматериала на его механический отклик. Для этого рассмотрено два метода соединения элементарных ячеек: «присоединение» и «внахлест». В качестве ана-лизируемых выбраны: 1) эффект «нагружение – скручивание», 2) эффективные упругие свойства (коэффициент Пуассона и модуль Юнга), 3) пористость и 4) напряженно-деформированное состояние. Пористость образцов, полученных ме-тодом «присоединения», составила 80 %, а методом «внахлест» – 84 %, а объем базового материала во втором случае оказался в 1,6 раз больше. Обнаружено, что на эффект «нагружение – скручивание» влияет не только объем базового материа-ла, но и внутренняя организация структуры, а именно разносторонняя хираль-ность соприкасающихся граней элементарных ячеек. Анализ результатов числен-ного эксперимента показал, что трехмерные образцы имеют нулевое значение эф-фективного коэффициента Пуассона. Модуль Юнга у образца, в котором ячейки соединялись методом «присоединения», оказывается выше почти в 2,7 раза. Оба образца могут описываться как анизотропная среда с кубической системой решет-ки, что показало изучение свойств образцов из метаматериала при нагружении вдоль трех ортогональных осей. Для построения методом «присоединения» харак-терна более неоднородная картина распределения напряжений с наличием более сильных концентраторов напряжений.

Полный текст

Метаматериалы – это искусственно созданные материалы, уникальные свойства которых обусловлены их геометрической структурой, а не химическим соста-вом базового материала. Другими словами, механиче-ское поведение метаматериалов ближе к поведению конструкций, а не обычных материалов. В кристалли-ческих материалах элементарные ячейки состоят из атомов или ионов, в то время как метаматериал строит-ся из гораздо более крупных ячеек, на порядки больше размера атома. Развитие технологий 3D-печати позво-лило создавать метаматериалы со сложной геометри-ческой формой из цифровой модели [1; 2]. Технологии производства трехмерных изделий являются перспек-тивными и конкурентоспособными, по сравнению с традиционными, благодаря высокой производительно-сти [3]. Для механических метаматериалов интерес пред-ставляет исследование их упругих характеристик: 1) модуля Юнга, 2) сдвигового и объемного модулей упругости, 3) коэффициента Пуассона [4]. Механиче-ское поведение и характеристики зависят от структуры метаматериала, очень популярным типом структур ме-таматериалов является хиральная. Хиральность – это свойство объекта не накладываться на свое зеркальное отображение. Хиральность может быть, как левосто-ронней, так и правосторонней [5]. Простой хиральный элемент имеет центральное кольцо и связки, выходящие из него [6]. Количество связок будет определять назва-ние хиральной структуры. Еще в 1997 г. [6] было заме-чено, что двухмерная хиральная структура обладает скручиванием, и её эффективный коэффициент Пуассо-на имеет отрицательное значение (т.е. она является ауксетиком). В других работах [7–9], в которых сооб-щается об отрицательном значении эффективного ко-эффициента Пуассона, кинематические граничные условия прикладывались к двум противоположно рас-положенным связкам хиральной структуры. Т. Френцель (T. Frenzel) с соавт. [10] создали и исследо-вали трехмерный образец из тетрахирального метама-териала, в котором хиральная структура в гранях эле-ментарных ячеек была повернута на 45° по сравнению с данными, приведенными в работах [7–9]. Информация о значении коэффициента Пуассона для такого трех-мерного метаматериала в работе [10] не представлена. Характеристики проектируемых структур, а следо-вательно, и механических свойств метаматериалов, можно контролировать изменением параметров струк-туры [11; 12], введением топологических дефектов [13; 14] или соединением ячеек разными способами при со-здании образцов [15; 16]. Последнее представляет осо-бый интерес, так как связи между элементарными ячей-ками имеют огромное значение. Передача нагрузки между элементарными ячейками [17] определяет реак-цию материала на воздействие внешних сил. Причем реакция материала может зависеть от типа сил, напри-мер, локализованные силы, распределенные поверх-ностные силы, силы гидростатического сжатия, силы, действующие в определенных направлениях [18]. По-этому соединения ячеек необходимо проектировать с учетом потенциального применения материала. К при-меру, в работе [19] сообщается о том, что удалось по-высить ударную вязкость за счет асимметричного со-единения элементарных ячеек. Эта асимметрия дости-гается за счет введения смещений между пересекающи-мися стойками внутри стандартных элементарных яче-ек. Насколько известно авторам, в настоящее время периодические кубические ячейки в метаматериале можно соединять двумя способами: «присоединение» и «внахлест» [20]. При этом до конца не ясно, каким обра-зом реализуется скручивание внутренних структур в образцах и как способ соединения ячеек влияет на эф-фективные свойства. В данной работе с помощью мето-да конечных элементов исследовано влияние двух спо-собов соединения элементарных ячеек тетрахирально-го метаматериала на эффект «нагружение – скручива-ние» при одноосном сжатии и эффективные упругие свойства метаматериала. Целенаправленное проекти-рование «архитектурных» микроструктур позволяет получать материалы с оптимальными механическими и новыми функциональными свойствами [21]. Поиск оп-тимальных соотношений структуры может выступать как рекомендация для инженерной отрасли [2], а также в биомедицинских приложениях [22].

Об авторах

Л. Р. Ахметшин

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация

И. Ю. Смолин

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация

Список литературы

  1. A system for designing and 3D printing of porous structures / A.M.M.S. Ullah, H. Kiuno, A. Kubo, D.M.D’Addona // CIRP Annals. – 2020. – Vol. 69, № 1. – P. 113–116.
  2. Renewable energy harvesting and absorbing via multi-scale metamaterial systems for Internet of things / T. Tan, Z. Yan, H. Zou [et al.] // Applied Energy. – 2019. – Vol. 254. – P. 113717.
  3. Transmodal Fabry – Pérot resonance: theory and realization with elastic metamaterials / J.M. Kweun, H.J. Lee, J.H. Oh [et al.] // Physical Review Letters. – 2017. – Vol. 118. – Trans-modal Fabry – Pérot Resonance. – № 20. – P. 205901.
  4. Mechanical metamaterials associated with stiffness, rigidity and compressibility: A brief review / X. Yu, J. Zhou, H. Liang [et al.] // Progress in Materials Science. – 2018. – Vol. 94. – Mechanical metamaterials associated with stiffness, rigidity and compressibility. – P. 114–173.
  5. Grima J.N., Gatt R., Farrugia P.-S. On the properties of auxetic meta-tetrachiral structures // Physica Status Solidi (B). – 2008. – Vol. 245, № 3. – P. 511–520.
  6. Prall D., Lakes R.S. Properties of a chiral honeycomb with a poisson’s ratio of – 1 // International Journal of Mechanical Sciences. – 1997. – Vol. 39, № 3. – P. 305–314.
  7. Elastic constants of 3-, 4- and 6-connected chiral and anti-chiral honeycombs subject to uniaxial in-plane loading / A. Alderson, K. L. Alderson, D. Attard [et al.] // Composites Science and Technology. – 2010. – Vol. 70, № 7. – P. 1042–1048.
  8. Elastic properties of chiral, anti-chiral, and hierarchical honey-combs: A simple energy-based approach / D. Mousanezhad, B. Haghpanah, R. Ghosh [et al.] // Theoretical and Applied Me-chanics Letters. – 2016. – Vol. 6. – Elastic properties of chiral, anti-chiral, and hierarchical honeycombs. – № 2. – P. 81–96.
  9. An analytical and finite element study on the mechanical prop-erties of irregular hexachiral honeycombs / L. Mizzi, D. Attard, R. Gatt [et al.] // Smart Materials and Structures. – 2018. – Т. 27, № 10. – P. 105016.
  10. Frenzel T., Kadic M., Wegener M. Three-dimensional mechan-ical metamaterials with a twist // Science. – 2017. – Vol. 358, № 6366. – P. 1072–1074.
  11. Akhmetshin L.R., Smolin I.Yu. Influence of unit cell parame-ters of tetrachiral mechanical metamaterial on its effective prop-erties // Nanoscience and Technology: An International Journal. – 2020. – Vol. 11, № 3. – P. 265–273.
  12. Enhanced energy harvesting by devices with the metamaterial substrate / A. Sangsefidi, J. Kadkhodapour, A.P. Anaraki [et al.] // Fizicheskaya Mezomekhanika. – 2022. – Т. 25, № 4. – P. 106–121.
  13. Topological defects produce exotic mechanics in complex met-amaterials / A.S. Meeussen, E.C. Oğuz, Y. Shokef, M.V. Hecke // Nature Physics. – 2020. – Vol. 16, № 3. – P. 307–311.
  14. Response evolution of mechanical metamaterials under archi-tectural transformations / A.S. Meeussen, E.C. Oğuz, M.V. Hecke, Y. Shokef // New Journal of Physics. – 2020. – Т. 22, № 2. – P. 023030.
  15. Akhmetshin L.R., Smolin I.Yu. Analysis of stress and strain in the tetrachiral metamaterial with different kinds of unit cell con-nections // Procedia Structural Integrity. – 2022. – Vol. 35. – P. 247-253.
  16. Static and dynamic response of sandwich beams with lattice and pantographic cores / Yu. Solyaev, A. Babaytsev, A. Us-tenko, A. Ripetskiy, A. Volkov // Journal of Sandwich Struc-tures Materials. – 2022. – Vol. 24, № 2. – P. 1076–1098.
  17. Fischer S., Hillen L., Eberl C. Mechanical metamaterials on the way from laboratory scale to industrial applications: challenges for characterization and scalability // Materials. – 2020. – Vol. 13, is. 16. – Art. 3605.
  18. Coulais C., Kettenis C., van Hecke M. A characteristic length scale causes anomalous size effects and boundary programma-bility in mechanical metamaterials // Nature Physics. – 2018. – Vol. 14. – P. 40–44.
  19. Improved mechanical performance of quasi-cubic lattice met-amaterials with asymmetric joints / Y.O. Solyaev, A.D. Usten-ko, A.V. Babaytsev, V.N. Dobryanskiy // Scientific Reports. – 2023. – Vol. 13. – Art. 14846.
  20. Ахметшин Л.Р., Смолин И.Ю. Анализ некоторых методов соединения ячеек в механическом тетрахиральном метама-териале // Вестник Томского государственного университе-та. Математика и механика. – 2022. – № 77. – С. 27–37.
  21. Digital strategies for structured and architected materials design / S. Bonfanti, R. Guerra, M. Zaiser, S. Zapperi // APL Materi-als. – 2021. – Vol. 9, № 2. – P. 020904.
  22. Bhullar S.K., Lala N.L., Ramkrishna S. Smart biomaterials – a review // Reviews on Advanced Materials Science. – Т. 40, № 3. – P. 303–314.
  23. Yuan Z., Cui Z., Ju J. Micropolar homogenization of wavy tet-ra-chiral and tetra-achiral lattices to identify axial–shear cou-pling and directional negative Poisson’s ratio // Materials Design. – 2021. – Vol. 201. – P. 109483.
  24. Mechanics of curved-ligament hexachiral metastructures under planar deformations / F. Runkel, G. Ramstein, G. Molinari [et al.] // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 2019. – Vol. 125. – P. 145–163.
  25. Drastic tailorable thermal expansion chiral planar and cylindri-cal shell structures explored with finite element simulation / H. Yu, W. Wu, J. Zhang [et al.] // Composite Structures. – 2019. – Vol. 210. – P. 327–338.
  26. Akhmetshin L., Smolin I. Characterization of a chiral met-amaterial depending on the type of connection between unit cells // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. – 2022. – Vol. 236, № 19. – P. 10214–10220.
  27. Li X., Yang Z., Lu Z. Design 3D metamaterials with compres-sion-induced-twisting characteristics using shear–com¬pres¬sion coupling effects // Extreme Mechanics Letters. – 2019. – Vol. 29. – P. 100471.
  28. 3D chiral metamaterial modular design with highly-tunable ten-sion-twisting properties / W. Xu, Z. Liu, L. Wang, P. Zhu // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 30. – P. 103006.
  29. Tunable compression-torsion coupling effect in novel cylindri-cal tubular metamaterial architected with boomerang-shaped tet-rachiral elements / H. Wang, C. Zhang, Q.-H. Qin, Y. Bai // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 31. – P. 103483.
  30. Akhmetshin L.R., Smolin I.Yu. Effect of the type of unit cell connection in a metamaterial on its programmable behavior // Nanoscience and Technology: An International Journal. – 2023. – Vol. 14, № 3. – P. 63–71.
  31. Response evolution of a tetrachiral metamaterial unit cell under architectural transformations / L. Akhmetshin, K. Iokhim, E. Kazantseva, I. Smolin // Symmetry. – 2022. – Vol. 15, № 1. – P. 14.
  32. Auxetic metamaterials and structures: a review / X. Ren, R. Das, P. Tran [et al.] // Smart Materials and Structures. – 2018. – Т. 27. – Auxetic metamaterials and structures. – № 2. – P. 023001.
  33. Kumar Sahu S.K., Dhar Badgayan N.D., Rama Sree¬kanth P.S.R. Numerical investigation on the effect of wall thickness on quasistatic crushing properties of nylon honeycomb struc-ture // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 27. – P. 798–804.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 42

PDF (Russian) - 51

Cited-By


PlumX


© Ахметшин Л.Р., Смолин И.Ю., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах