СВЯЗЬ ЖЕСТКОСТИ СО СКРУЧИВАНИЕМ В ОБРАЗЦАХ ИЗ ТЕТРАХИРАЛЬНОГО МЕТАМАТЕРИАЛА

Сведения об авторах
  • Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Российская Федерация
  • Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Российская Федерация

Аннотация

В работе численно исследовано влияние формы поперечного сечения (треугольник, квадрат, круг) призматических образцов из тетрахирального метаматериала на их механические свойства при одноосном сжатии. Компьютерное моделирование является благоприятным инструментом проверки не только метаматериала, но и конечных форм образцов из него. Рассмотрены два способа соединения ячеек в образце, а также две конфигурации образцов, когда центр поперечного сечения вырезанного образца совпадает с: 1) центром тетрахиральной структуры и 2) точкой пересечения четырех тетрахиральных структур. При смене центра фигур площади поперечных сечений (S) образцов остаются неизменными. Обнаружено, что смещение центра влечет изменение объема базового материала (V). За счет хиральной структуры образцы из метаматериала проявляют необычный эффект – при одноосном сжатии реализуется скручивание вдоль оси нагружения. Зафиксировано, что локальное вращение хиральных граней может не совпадать с поворотом образца из метаматериала. При этом, показано, что, несмотря на незначительные различия в пористости (86,2 ± 3,79% и 79,88 ± 1,75% для различных способов соединения), изменение формы поперечного сечения существенно влияет на деформационное поведение образцов, проявляющееся в изменении угла скручивания (различие до 6,74 раза) и силовой реакции опоры (различие до 5,51 раза). Результаты демонстрируют, что геометрия образца оказывает значительное влияние на его свойства и должна учитываться при проектировании. Таким образом, данное исследование предоставит исследователям основу для эффективной оптимизации топологии сложных образцов из метаматериала. Полученные результаты демонстрируют возможность управления свойствами изделий из метаматериалов через их форму, открывая новые горизонты для применения в различных отраслях.

Ключевые слова

механический метаматериалтетрахиральная структураэффективные свойстважесткостьэффект «нагружение–скручивание»МКЭ

Литература

  1. 1.Mechanical metamaterials and beyond / P. Jiao [et al.] // Nature Communications. – 2023. – Vol. 14, No. 1. – P. 6004. doi: 10.1038/s41467-023-41679-8 Scholar
  2. 2.Review of foundational concepts and emerging directions in metamaterial research: design, phenomena, and applications / Holliman J.E. [et al.] // Materials Advances. – 2022. – Vol. 3, No. 23. – PP. 8390-8406. doi: 10.1039/ D2MA00497F Scholar
  3. 3.Lim T.-C. A partially auxetic metamaterial inspired by the Maltese cross. – Cambridge University Press, 2022. Scholar
  4. 4.Lakes R. Composites and metamaterials. – World Scientific, 2020. Scholar
  5. 5.A review of additive manufacturing of metamaterials and developing trends / J. Fan [et al.] // Materials Today. – 2021. – Vol. 50. – P. 303-328. doi: 10.1016/j.mattod.2021.04.019 Scholar
  6. 6.Additive manufacturing of metamaterials: A review / M. Askari [et al.] // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 36. – P. 101562. doi: 10.1016/j.addma.2020.101562 Scholar
  7. 7.Mechanics of beams made from chiral metamaterials: Tuning deflections through normal-shear strain couplings / N. Karathanasopoulos [et al.] // Materials & Design. – 2020. – Vol. 189. – Mechanics of beams made from chiral metamaterials. – P. 108520. doi: 10.1016/j.matdes.2020.108520 Scholar
  8. 8.Chiral-based mechanical metamaterial with tunable normal-strain shear coupling effect / M. Fleisch [et al.] // Engineering Structures. – 2023. – Vol. 284. – P. 115952. doi: 10.1016/j.engstruct.2023.115952 Scholar
  9. 9.Исследование механизмов деформации двумерного метаматериала / Л.Р. Ахметшин [и др.] // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. – 2024. – № 89. – С. 51–65. doi: 10.17223/19988621/89/4 Scholar
  10. 10.Frenzel T., Kadic M., Wegener M. Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist // Science. – 2017. – Vol. 358, No. 6366. – P. 1072-1074. doi: 10.1126/science.aao4640 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 6, 2025)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
29.12.2025
В выпуске
29.12.2025
Выпуск
№ 6 (2025)
Поделиться