Влияние изменения коэффициента термического расширения на термомеханическую деформацию цилиндров с ауксетичностью в плоскости на основе повторно-входящих ячеек

Влияние изменения коэффициента термического расширения на термомеханическую деформацию цилиндров с ауксетичностью в плоскости на основе повторно-входящих ячеек

Автор: Тарасова А.С., Ташкинов М.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 6, 2024 года.

Бесплатный доступ

Активное развитие механических метаматериалов в настоящее время привело к широкому применению ауксетичных структур в различных приложениях, отличающихся условиями нагружения. В данном исследовании изучается термомеханическое поведение новых цилиндрических ауксетичных решетчатых структур путем анализа взаимосвязи между их деформационными характеристиками и коэффициентом термического расширения (КТР) материала. В отличие от традиционных ауксетичных цилиндров, плоскость ауксетичности разработанных моделей расположена перпендикулярно оси цилиндра, что определяет специфику их поведения. Для понимания поведения ауксетичных решеток под комбинированными термическими и механическими нагрузками были проведены вычислительные эксперименты на основе метода конечных элементов (МКЭ). Исследовались деформации как прямоугольных, так и цилиндрических решетчатых структур. Получены и сравнены зависимости поперечной деформации от КТР. Оценено влияние КТР на структурный коэффициент Пуассона прямоугольных ауксетичных решеток, являющегося ключевым параметром, характеризующим ауксетичное поведение структуры при термомеханическом нагружении. Проверена возможность моделирования механического поведения ауксетичных цилиндров с помощью ортотропной механической модели материала с эффективными свойствами. Константы для задания такой модели материала получены путем моделирования численного эксперимента на растяжение и сдвиг прямоугольных ауксетичных решеток вдоль осей координат. Используя пример с искусственными свойствами материала, было показано, что преобладающий механизм деформации, вызванный противодействующим влиянием механической и термической нагрузки, может контролироваться путем выбора материала с подходящим КТР. Это позволяет регулировать отклик структуры на изменение температуры и механическую нагрузку. Такие результаты могут быть использованы для создания цилиндрических ауксетичных решетчатых структур, подверженных механическим и термическим деформациям, в приложениях, где требуется контролируемый термомеханический отклик.

Еще

Механические метаматериалы, цилиндрические решетчатые структуры, ауксетики, отрицательный коэффициент пуассона, термоупругость, повторно-входящая ячейка

Короткий адрес: https://sciup.org/146283068

IDR: 146283068   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.6.06

Список литературы Влияние изменения коэффициента термического расширения на термомеханическую деформацию цилиндров с ауксетичностью в плоскости на основе повторно-входящих ячеек

  • Skripnyak, V.V. Modeling the mechanical response of auxetic metamaterials to dynamic effects / V.V. Skripnyak, M.O. Chirkov, V.A. Skripnyak // PNRPU Mech. Bull. – 2021. – Vol. 2021, no. 2. – P. 144–152. DOI: 10.15593/PERM.MECH/2021.2.13
  • Qin, Q. Structural Mechanics of cylindrical fish-cell zero Poisson’s ratio metamaterials / Q. Qin, I. Dayyani, P. Webb // Compos. Struct. – 2022. – Vol. 289. – P. 115455. DOI: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2022.115455
  • Mechanical metamaterials associated with stiffness, rigidity and compressibility: A brief review / X. Yu [et al.] // Prog. Mater. Sci. – 2018. – Vol. 94. – P. 114–173. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.12.003
  • A multifunctional three-dimensional lattice material integrating auxeticity, negative compressibility and negative thermal expansion / Y. Yao [et al.] // Compos. Struct. – 2024. – Vol. 337, no. March. DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118032
  • Auxetic mechanical metamaterials with symmetry-broken Re-entrant units / A. Montazeri [et al.] // Int. J. Mech. Sci. – 2024. – Vol. 266. – P. 108917. DOI: 10.1016/J.IJMECSCI.2023.108917
  • Balan, P.M. Auxetic mechanical metamaterials and their futuristic developments: A state-of-art review / P.M. Balan, A.J. Mertens, M.V.A.R. Bahubalendruni // Mater. Today Commun. – 2023. – Vol. 34, no. October 2022. – P. 105285. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.105285
  • Zheng, X. A mathematically defined 3D auxetic metamaterial with tunable mechanical and conduction properties / X. Zheng, X. Guo, I. Watanabe // Mater. Des. – 2021. – Vol. 198. – P. 109313. DOI: 10.1016/J.MATDES.2020.109313
  • Quasi-static crushing behavior of novel re-entrant circular auxetic honeycombs / C. Qi [et al.] // Compos. Part B Eng. – 2020. – Vol. 197. – P. 108117. DOI: 10.1016/J.COMPOSITESB.2020.108117
  • Gorodtsov, V.A. Auxetics among Materials with Cubic Anisotropy / V.A. Gorodtsov, D.S. Lisovenko // Mech. Solids. – 2020. – Vol. 55, no. 4. – P. 461–474. DOI: 10.3103/S0025654420040044
  • Wu, X. In-plane impact resistance enhancement with a graded cell-wall angle design for auxetic metamaterials / X. Wu, Y. Su, J. Shi // Compos. Struct. – 2020. – Vol. 247. – P. 112451. DOI: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2020.112451
  • Li, T. Enhancing indentation and impact resistance in auxetic composite materials / T. Li, F. Liu, L. Wang // Compos. Part B Eng. – 2020. – Vol. 198, no. July. – P. 108229. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.108229
  • Experimental Investigation of the Properties of Auxetic and Non-Auxetic Metamaterials Made of Metal During Penetration of Rigid Strikers / S.Y. Ivanova [et al.] // Mech. Solids. – 2023. – Vol. 58, no. 2. – P. 524–528. DOI: 10.3103/S0025654422601616
  • Studying the Properties of Metamaterials with a Negative Poisson’s Ratio when Punched by a Rigid Impactor / S.Y. Ivanova [et al.] // Mech. Solids. – 2023. – Vol. 58, no. 5. – P. 1536–1544. DOI: 10.3103/S0025654423600897
  • A simple 3D re-entrant auxetic metamaterial with enhanced energy absorption / X.C. Teng [et al.] // Int. J. Mech. Sci. – 2022. – Vol. 229, no. July. – P. 107524. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107524
  • Jin, S. Shear resistance of an auxetic chiral mechanical metamaterial / S. Jin, Y.P. Korkolis, Y. Li // Int. J. Solids Struct. – 2019. – Vol. 174–175. – P. 28–37. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2019.06.005
  • Chiral topologies for composite morphing structures – Part II: Novel configurations and technological processes / A. Airoldi [et al.] // Phys. Status Solidi Basic Res. – 2015. – Vol. 252, no. 7. – P. 1446–1454. DOI: 10.1002/pssb.201584263
  • Review of auxetic materials for sports applications: Expanding options in comfort and protection / O. Duncan [et al.] // Appl. Sci. – 2018. – Vol. 8, no. 6. DOI: 10.3390/app8060941
  • Weng, L. Analytical model of Li-ion diffusion-induced stress in nanowire and negative Poisson’s ratio electrode under different operations / L. Weng, J. Zhou, R. Cai // Int. J. Mech. Sci. – 2018. – Vol. 141. – P. 245–261. DOI: 10.1016/J.IJMECSCI.2018.04.013
  • Structure design and multi-objective optimization of a novel NPR bumper system / C.Y. Wang [et al.] // Compos. Part B Eng. – 2018. – Vol. 153, no. April. – P. 78–96. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.07.024
  • Rationally designed meta-implants: A combination of auxetic and conventional meta-biomaterials / H.M.A. Kolken [et al.] // Mater. Horizons. – 2018. – Vol. 5, no. 1. – P. 28–35. DOI: 10.1039/c7mh00699c
  • Auxetic response of additive manufactured cubic chiral lattices at large plastic strains / C. Iantaffi [et al.] // Mater. Des. – 2023. – Vol. 233, no. May. – P. 112207. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112207
  • Programmable mechanical metamaterials based on hierarchical rotating structures / X. Li [et al.] // Int. J. Solids Struct. – 2021. – Vol. 216. – P. 145–155. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2021.01.028
  • Novel 3D auxetic lattice structures developed based on the rotating rigid mechanism / Y. Gao [et al.] // Int. J. Solids Struct. – 2021. – Vol. 233. – P. 111232. DOI: 10.1016/J.IJSOLSTR.2021.111232
  • Crashworthiness analysis of double-arrowed auxetic structure under axial impact loading / Q. Gao [et al.] // Mater. Des. – 2019. – Vol. 161. – P. 22–34. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.11.013
  • Carneiro, V.H. Axisymmetric auxetics / V.H. Carneiro, H. Puga // Compos. Struct. – 2018. – Vol. 204, no. April. – P. 438–444. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.07.116
  • Carneiro, V.H. Enhanced mechanical properties in cellular solids using axisymmetric configurations / V.H. Carneiro, H. Puga // Compos. Struct. – 2021. – Vol. 255, no. May 2020. – P. 112972. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112972
  • Yang, H. Design and characterization of axisymmetric auxetic metamaterials / H. Yang, L. Ma // Compos. Struct. – 2020. – Vol. 249, no. May. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112560
  • Development and characterisation of novel threedimensional axisymmetric chiral auxetic structures / N. Novak [et al.] // J. Mater. Res. Technol. – 2022. – Vol. 17. – P. 2701–2713. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.02.025
  • Tubular auxetic structures: A review / R.A. Gomes [et al.] // Thin-Walled Struct. – 2023. – Vol. 188, no. February. – P. 110850. DOI: 10.1016/j.tws.2023.110850
  • Gao, Q. Energy absorption of thin walled tube filled with gradient auxetic structures-theory and simulation / Q. Gao, W.H. Liao // Int. J. Mech. Sci. – 2021. – Vol. 201. – P. 106475. DOI: 10.1016/J.IJMECSCI.2021.106475
  • Design and characterization of novel bi-directional auxetic cubic and cylindrical metamaterials / Li J. [et al.] // Compos. Struct. – 2022. – Vol. 299, no. June. – P. 116015. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116015
  • Multi-objective crashworthiness optimization for an auxetic cylindrical structure under axial impact loading / Q. Gao [et al.] // Mater. Des. – 2018. – Vol. 143. – P. 120–130. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.01.063
  • Deformation behaviors and energy absorption of auxetic lattice cylindrical structures under axial crushing load / Y. Guo [et al.] // Aerosp. Sci. Technol. – 2020. – Vol. 98. – P. 105662. DOI: 10.1016/j.ast.2019.105662
  • Effect of auxetic structures on crash behavior of cylindrical tube / W. Lee [et al.] // Compos. Struct. – 2019. – Vol. 208, no. October 2018. – P. 836–846. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.10.068
  • D. Han [et al.] Lightweight auxetic tubular metamaterials: Design and mechanical characteristics // Compos. Struct. – 2023. – Vol. 311, no. February. – P. 116849. DOI: 10.1016/j.compstruct.2023.116849
  • Mechanical properties of auxetic circular and square tubes filled with aluminum foam / R.Y. Huo [et al.] // Eng. Struct. – 2023. – Vol. 281, no. February. – P. 115732. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.115732
  • Gao, Q. Theoretical predictions of dynamic responses of cylindrical sandwich filled with auxetic structures under impact loading / Q. Gao, W.H. Liao, C. Huang // Aerosp. Sci. Technol. – 2020. – Vol. 107. – P. 106270. DOI: 10.1016/J.AST.2020.106270
  • Li, C. Postbuckling of pressure-loaded auxetic sandwich cylindrical shells with FG-GRC facesheets and 3D double-V metalattice core / C. Li, J. Yang, H.S. Shen // Thin-Walled Struct. – 2022. – Vol. 177, no. March. – P. 109440. DOI: 10.1016/j.tws.2022.109440
  • Allam, M.N.M. Hygrothermal deformation of spinning FG graphene sandwich cylindrical shells having an auxetic core / M.N.M. Allam, A.F. Radwan, M. Sobhy // Eng. Struct. – 2022. – Vol. 251, no. PA. – pp. 113433. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113433
  • Geometrically nonlinear dynamic response of eccentrically stiffened circular cylindrical shells with negative poisson’s ratio in auxetic honeycombs core layer / P.H. Cong [et al.] // Int. J. Mech. Sci. – 2019. – Vol. 152, no. December 2018. – P. 443–453. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2018.12.052
  • Composites with Re-Entrant Lattice: Effect of Filler on Auxetic Behaviour / M. Tashkinov [et al.] // Polymers (Basel). – 2023. – Vol. 15, no. 20. – P. 4076. DOI: 10.3390/polym15204076
  • Nielson, G.M. Dual marching cubes / G.M. Nielson // IEEE Visualization 2004. – 2004. – P. 489–496. DOI: 10.1109/VISUAL.2004.28
  • Smooth Boundary Surfaces from Binary 3D Datasets / D. Cohen-Or [et al.] // Volume Graphics. – 2000. DOI: 10.1007/978-1-4471-0737-8_4
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp