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

Сведения об авторах

Аннотация

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 дифференциации 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.

Ключевые слова

механические метаматериалыцилиндрические решетчатые структурыакустикиотрицательный коэффициент Пуассонатермоупругостьповторно-входящая ячейка

Литература

  1. 1.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 Scholar
  2. 2.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 Scholar
  3. 3.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 Scholar
  4. 4.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 Scholar
  5. 5.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 Scholar
  6. 6.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 Scholar
  7. 7.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.MATEDS.2020.109313 Scholar
  8. 8.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 Scholar
  9. 9.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 Scholar
  10. 10.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 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 6, 2024)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
26.12.2024
В выпуске
26.12.2024
Выпуск
№ 6 (2024)
Поделиться