Полный текст

Механические метаматериалы – это искусственно созданные структуры с необычными свойствами, которые зависят не только от состава материала, но и от микроархитектуры и пространственной организации элементарных ячеек. Сегодня область механических метаматериалов очень широка и включает материалы с отрицательным [1] и нулевым коэффициентом Пуассона [2], отрицательной жесткостью [3], отрицательной сжимаемостью [4], и другими свойствами [5]. Значительный прогресс в 3D-печати как на микро-, так и на макроуровне сыграл ключевую роль в развитии этой области. Возможность создавать сложные конструкции метаматериалов является одним из самых перспективных преимуществ аддитивного производства. Метаматериалы с отрицательным коэффициентом Пуассона, также известные как ауксетичные материалы, являются наиболее изученным типом механических метаматериалов [2,6–9]. Они расширяются в поперечном направлении при продольном растяжении и сжимаются при сжатии. Этот механизм деформации эффективно обеспечивает высокую ударную прочность [10–13], поглощение энергии [6,14], и сопротивление сдвигу [15]. Благодаря этим преимуществам ауксетичные метаматериалы имеют большой потенциал в различных областях, особенно в авиации [16], спортивных приложениях [17], электронике [18], автомобильной промышленности [19], биомедицинской инженерии [20] и других. Создание ауксетичных структур с различными формами и управляемым механическим поведением может быть основано на широком спектре конструкций ауксетичных ячеек, включая повторно-входящие [6,14], хиральные [21–23], двойная стрелка [24] и другие типы ячеек. Существуют различные варианты цилиндрических ауксетичных структур. Например, осесимметричные ауксетики могут быть образованы вращением изогнутой ауксетичной элементарной ячейки [25–30]. В настоящее время в опубликованных работах осесимметричные ауксетики в основном испытывались под осевым сжатием [31] или ударной нагрузкой [32]. Также были проведены испытания свойств ауксетиков, заключенных в цилиндр путем перемещения ячеек в окружном и осевом направлениях при осевой нагрузке [33–35]. Для улучшения механических свойств цилиндры из ауксетичных материалов заполнялись различными наполнителями [36]. Другим направлением исследований стали цилиндрические сэндвич-панели с ауксетичными сердечниками [37–40]. Существует также отдельный широкий класс ауксетиков среди материалов с кубической анизотропией [9]. Однако механическое поведение цилиндрических ауксетиков, у которых ауксетичная плоскость перпендикулярна оси цилиндра, практически не изучено. В данной работе исследуются новые конструкции ауксетичных цилиндров, основанные на повторно-входящей ячейке в плоскости цилиндра. С помощью заданного алгоритма соединения вершин ауксетичной ячейки формируется структура, называемая ауксетичным кольцом, которое затем перемещается вдоль оси Z на несколько слоев с необходимым расстоянием между ними для получения пористого ауксетичного цилиндра. Также, обеспечивается геометрический градиент ауксетичного цилиндра от внутреннего радиуса до внешнего радиуса. Целью работы является изучение механического отклика ауксетичного цилиндра с элементарно ячейкой в плоскости при приложении механической нагрузки и воздействии температуры, а также оценка деформации в плоскости ауксетичности в зависимости от коэффициента термического расширения материала решетки. Цилиндр, состоящий из двух плоских окружных ауксетичных слоев, соединенных вертикальными распорками, моделировался численно с использованием метода конечных элементов. Проведено сравнение с полым цилиндром, обладающим эффективными ауксетичными свойствами, рассчитанными на основе анализа регулярной повторно-входящей решетчатой структуры.

Об авторах

А. С Тарасова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

М. А Ташкинов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 6

PDF (Russian) - 7