Анализ влияния особенностей структурной организации хиральных метаматериалов на их физико-механические характеристики
Автор: Ахметшин Л.Р., Смолин И.Ю.
Статья в выпуске: 5, 2023 года.
Бесплатный доступ
Метаматериалы - это искусственно созданные материалы, необычные свойства которых обусловлены их геометрической структурой, а не химическим составом базового материала. Управление физико-механическими свойствами через структуру является принципиальным для метаматериалов. Инструменты численного анализа, используемые в данной работе, обладают преимуществом перед натурными испытаниями благодаря автоматизации работ и сниженным материальным 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 анализируемых выбраны: 1) эффект «нагружение - скручивание», 2) эффективные упругие свойства (коэффициент Пуассона и модуль Юнга), 3) пористость и 4) напряженно-деформированное состояние. Пористость образцов, полученных методом «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 материала, но и внутренняя организация структуры, а именно разносторонняя хиральность соприкасающихся граней элементарных ячеек. Анализ результатов численного эксперимента показал, что трехмерные образцы имеют нулевое значение эффективного 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 решетки, что показало изучение свойств образцов из метаматериала при нагружении вдоль трех ортогональных осей. Для построения методом «присоединения» характерна более неоднородная картина распределения напряжений с наличием более сильных концентраторов напряжений.
Механический метаматериал, хиральность, элементарная ячейка, эффект «нагружение - скручивание», эффективные свойства, пористость, взаимосвязь «микроструктура - свойство», численное моделирование, метод конечных элементов, напряженное состояние
Короткий адрес: https://sciup.org/146282768
IDR: 146282768 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.5.02
Список литературы Анализ влияния особенностей структурной организации хиральных метаматериалов на их физико-механические характеристики
- 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.
- 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.
- 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. - Transmodal Fabry - Pérot Resonance. - № 20. - P. 205901.
- 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.
- 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.
- 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.
- Elastic constants of 3-, 4- and 6-connected chiral and an-ti-chiral honeycombs subject to uniaxial in-plane loading / A. Al-derson, K. L. Alderson, D. Attard [et al.] // Composites Science and Technology. - 2010. - Vol. 70, № 7. - P. 1042-1048.
- Elastic properties of chiral, anti-chiral, and hierarchical honeycombs: A simple energy-based approach / D. Mousanezhad, B. Haghpanah, R. Ghosh [et al.] // Theoretical and Applied Mechanics Letters. - 2016. - Vol. 6. - Elastic properties of chiral, anti-chiral, and hierarchical honeycombs. - № 2. - P. 81-96.
- An analytical and finite element study on the mechanical properties of irregular hexachiral honeycombs / L. Mizzi, D. Attard, R. Gatt [et al.] // Smart Materials and Structures. -2018. - Т. 27, № 10. - P. 105016.
- Frenzel T., Kadic M., Wegener M. Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist // Science. - 2017. -Vol. 358, № 6366. - P. 1072-1074.
- Akhmetshin L.R., Smolin I.Yu. Influence of unit cell parameters of tetrachiral mechanical metamaterial on its effective properties // Nanoscience and Technology: An International Journal. - 2020. - Vol. 11, № 3. - P. 265-273.
- 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.
- Topological defects produce exotic mechanics in complex metamaterials / A.S. Meeussen, E.C. Oguz, Y. Shokef, M.V. Hecke // Nature Physics. - 2020. - Vol. 16, № 3. -P. 307-311.
- Response evolution of mechanical metamaterials under architectural transformations / A.S. Meeussen, E.C. Oguz, M.V. Hecke, Y. Shokef // New Journal of Physics. - 2020. - Т. 22, № 2. - P. 023030.
- Akhmetshin L.R., Smolin I.Yu. Analysis of stress and strain in the tetrachiral metamaterial with different kinds of unit cell connections // Procedia Structural Integrity. - 2022. -Vol. 35. - P. 247-253.
- Static and dynamic response of sandwich beams with lattice and pantographic cores / Yu. Solyaev, A. Babaytsev, A. Ustenko, A. Ripetskiy, A. Volkov // Journal of Sandwich Structures & Materials. - 2022. - Vol. 24, № 2. - P. 1076-1098.
- 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.
- Coulais C., Kettenis C., van Hecke M. A characteristic length scale causes anomalous size effects and boundary pro-grammability in mechanical metamaterials // Nature Physics. -2018. - Vol. 14. - P. 40-44.
- Improved mechanical performance of quasi-cubic lattice metamaterials with asymmetric joints / Y.O. Solyaev, A.D. Usten-ko, A.V. Babaytsev, V.N. Dobryanskiy // Scientific Reports. -2023. - Vol. 13. - Art. 14846.
- Ахметшин Л.Р., Смолин И.Ю. Анализ некоторых методов соединения ячеек в механическом тетрахиральном ме-таматериале // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. - 2022. - № 77. - С. 27-37.
- Digital strategies for structured and architected materials design / S. Bonfanti, R. Guerra, M. Zaiser, S. Zapperi // APL Materials. - 2021. - Vol. 9, № 2. - P. 020904.
- Bhullar S.K., Lala N.L., Ramkrishna S. Smart biomaterials - a review // Reviews on Advanced Materials Science. - Т. 40, № 3. - P. 303-314.
- Yuan Z., Cui Z., Ju J. Micropolar homogenization of wavy tetra-chiral and tetra-achiral lattices to identify axial-shear coupling and directional negative Poisson's ratio // Materials & Design. - 2021. - Vol. 201. - P. 109483.
- 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.
- Drastic tailorable thermal expansion chiral planar and cylindrical shell structures explored with finite element simulation / H. Yu, W. Wu, J. Zhang [et al.] // Composite Structures. - 2019. -Vol. 210. - P. 327-338.
- Akhmetshin L., Smolin I. Characterization of a chiral metamaterial 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.
- Li X., Yang Z., Lu Z. Design 3D metamaterials with compression-induced-twisting characteristics using shear-compression coupling effects // Extreme Mechanics Letters. - 2019. -Vol. 29. - P. 100471.
- 3D chiral metamaterial modular design with highly-tunable tension-twisting properties / W. Xu, Z. Liu, L. Wang, P. Zhu // Materials Today Communications. - 2022. - Vol. 30. - P. 103006.
- Tunable compression-torsion coupling effect in novel cylindrical tubular metamaterial architected with boomerang-shaped tetrachiral elements / H. Wang, C. Zhang, Q.-H. Qin, Y. Bai // Materials Today Communications. - 2022. - Vol. 31. -P. 103483.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 structure // Materials Today: Proceedings. - 2020. - Vol. 27. - P. 798-804.
