The influence of the structural organization of chiral metamaterials on their physical and mechanical characteristics

Metamaterials are artificially created materials which unusual properties are due to their ge- ometric structure, not the chemical composition of the base material. The control of physical and mechanical properties through the structure is fundamental for metamaterials. The tools of the numerical analysis used in this work overweigh experimental tests due to the automation of re- search, reduced material and financial costs. Here, a tetrachiral metamaterial is investigated under uniaxial compression conditions. The base material is described as an elastic medium. An analysis of the influence of the metamaterial's structural organization on its mechanical response is carried out. To do this, two methods of connecting unit cells are considered: "joining" and "overlapping". The following are selected for the analysis: (1) the tension – torsion coupling ef- fect; (2) effective elastic properties (Poisson's ratio and Young's modulus); (3) porosity; and (4) the state of stress and strain. The porosity of the samples obtained by the "joining" method was 80 % and the "overlapping" method resulted in 84 %, the volume of the base material in the se- cond case was 1.6 times larger. It was found that the tension – torsion coupling effect is affected not only by the volume of the base material but also by the internal organization of the structure, namely, the versatile chirality of the touching faces of the unit cells. Analysis of the numerical experiment results showed that the three – dimensional samples have a zero value for the effec- tive Poisson's ratio. The Young's modulus of the sample in which the cells were connected by the "joining" method turns out to be almost 2.7 times higher. Both samples can be described as an anisotropic medium with a lattice in the cubic system medium, which is shown by studying the properties of metamaterial samples when loaded along three orthogonal axes. The construction created by the "joining" method is characterized by a more heterogeneous pattern of stress dis- tribution and presence of stronger stress concentrators.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ХИРАЛЬНЫХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ НА ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Метаматериалы – это искусственно созданные материалы, необычные свойства кото- рых обусловлены их геометрической структурой, а не химическим составом базового ма- териала. Управление физико-механическими свойствами через структуру является прин- ципиальным для метаматериалов. Инструменты численного анализа, используемые в данной работе, обладают преимуществом перед натурными испытаниями благодаря ав- томатизации работ и сниженным материальным и финансовым расходам. В данной рабо- те исследуется тетрахиральный метаматериал в условиях одноосного сжатия. Базовый материал описывается как упругая среда. Выполнен анализ влияния особенностей струк- турной 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 упру- гие свойства (коэффициент Пуассона и модуль Юнга), 3) пористость и 4) напряженно- деформированное состояние. Пористость образцов, полученных методом «присоедине- ния», составила 80 %, а методом «внахлест» – 84 %, а объем базового материала во вто- ром случае оказался в 16 раз больше. Обнаружено, что на эффект «нагружение – скручи- вание» влияет не только объем базового материала, но и внутренняя организация струк- туры, 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 ре- шетки, 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 концентра- торов напряжений.