مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تجربی و عددی جذب انرژی سازه‌های آگزتیک تحت بارگذاری شبه‌استاتیک

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
بشر همواره در پی استفاده بهینه از مواد پیرامون خود بوده و در این زمینه با الهام‌گرفتن از طبیعت موفق به ابداع سازه‌های مختلف شده است. یکی از این موارد، سازه‌های مشبک هستند که به دلیل وزن پایین و استحکام فشاری و سفتی بالا، به‌صورت گسترده‌ای در کاربردهای مختلف از جمله جاذب‌های انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوع جدیدی از سازه‌های مشبک، سازه‌های آگزتیک هستند که به دلیل ساختار هندسی خود، ضریب پوآسون منفی دارند و همین مشخصه، باعث‌شده تا سازه‌های آگزتیک ویژگی‌های منحصربه‌فردی همچون مقاومت برشی، مقاومت در برابر فرورفتگی و جذب انرژی بالا داشته باشند. در این مطالعه به بررسی تجربی و عددی بارگذاری فشاری به‌صورت شبه‌استاتیک روی سه سازه آگزتیک و یک سازه غیرآگزتیک پرداخته شده است. نمونه‌های مورد بررسی دارای سه هندسه مختلف آگزتیک ری‌اینترنت، سرنیزه‌ای و آنتی‌تتراکایرال و یک هندسه غیرآگزتیک لانه‌زنبوری بوده و برای ساخت نمونه‌ها از روش ساخت افزایشی (چاپ سه‌بعدی) استفاده شده است و نتایج تجربی با نتایج تحلیل اجزاء محدود مقایسه شد که قرابت بسیار خوبی با هم داشتند و همان طور که انتظار می‌رفت، سازه‌های آگزتیک به نسبت سازه لانه‌زنبوری که سازه‌ای غیرآگزتیک است، عملکرد به‌مراتب بهتری در جذب انرژی از خود نشان دادند. به‌طوری که جذب انرژی سازهٔ سرنیزه‌ای ۱۶۱%بیشتر از سازه لانه‌زنبوری بود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Investigation of Energy Absorption in Auxetic Structures under Quasi-static Loading

نویسندگان English

M. Najafi
H. Ahmadi
G.H. Liaghat
Mechanical Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Human being has always been looking for optimal use of his surrounding materials that has been able to invent various structures through getting inspired by nature. Some of these structures are lattice structures. Due to their lower weight, high compressive strength and high stiffness, lattice structures are widely used in various applications, including energy absorbers. A new type of lattice structure is auxetic structures that have a negative Poisson’s ratio due to their geometric structure. This characteristic has caused auxetic structures to have unique properties such as shear strength, indentation resistance, and high-energy absorption. In this study, the experimental and numerical investigation of in-plane uniaxial quasi-static loading on three auxetic structures and one non-auxetic structure have been conducted. The specimens have three different auxetic geometries including re-entrant, arrowhead and anti-tetra chiral and one honeycomb geometry that is non-auxetic. The specimens have been manufactured using additive manufacturing technology (3D printing). Experimental results were compared with finite element simulation results, which were in a good agreement. As expected, auxetic structures showed a much better performance in energy absorption compared to the honeycomb structure. So that the energy absorption of the arrowhead structure was 161% higher than the honeycomb structure.

کلیدواژه‌ها English

Auxetic Structures
energy absorption
Additive Manufacturing
Quasi-Static Compression Loading
Finite element analysis
Vinson J. The behavior of sandwich structures of isotropic and composite materials. New York: Routledge; 2018. [Link] [DOI:10.1201/9780203737101]
Gibson LJ, Ashby MF. Cellular solids: Structure and properties. 2nd Edition. Cambridge: Cambridge University Press; 1997. [Link] [DOI:10.1017/CBO9781139878326]
Yazdani Sarvestani H, Akbarzadeh AH, Niknam H, Hermenean K. 3D printed architected polymeric sandwich panels: Energy absorption and structural performance. Composite Structures. 2018;200:886-909. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruct.2018.04.002]
Ju J, Summers JD. Compliant hexagonal periodic lattice structures having both high shear strength and high shear strain. Materials & Design. 2011;32(2):512-524. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2010.08.029]
Beharic A, Egui RR, Yang L. Drop-weight impact characteristics of additively manufactured sandwich structures with different cellular designs. Materials & Design. 2018;145:122-134. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2018.02.066]
Ingrole A, Hao A, Liang R. Design and modeling of auxetic and hybrid honeycomb structures for in-plane property enhancement. Materials & Design. 2017;117:72-83. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2016.12.067]
Mir M, Najabat Ali M, Sami J, Ansari U. Review of mechanics and applications of auxetic structures. Advances in Materials Science and Engineering. 2014;2014:753496. [Link] [DOI:10.1155/2014/753496]
Ren X, Das R, Tran P, Ngo TD, Xie YM. Auxetic metamaterials and structures: A review. Smart Materials and Structures. 2018;27(2):023001. [Link] [DOI:10.1088/1361-665X/aaa61c]
Gibson LJ, Ashby MF, Schajer GS, Robertson CI. The mechanics of two-dimensional cellular materials. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1982;382(1782):25-42. [Link] [DOI:10.1098/rspa.1982.0087]
Lakes R. Foam structures with a negative Poisson's ratio. Science. 1987;235(4792):1038-1041. [Link] [DOI:10.1126/science.235.4792.1038]
Evans KE, Nkansah MA, Hutchinson IJ, Rogers SC. Molecular network design. Nature. 1991;353(6340):124-125. [Link] [DOI:10.1038/353124a0]
Rafsanjani A, Pasini D. Bistable auxetic mechanical metamaterials inspired by ancient geometric motifs. Extreme Mechanics Letters. 2016;9:291-296. [Link] [DOI:10.1016/j.eml.2016.09.001]
Alderson A, Alderson KL. Auxetic materials. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2007;221(4):565-575. [Link] [DOI:10.1243/09544100JAERO185]
Imbalzano G, Linforth S, Ngo TD, Lee PV, Tran P. Blast resistance of auxetic and honeycomb sandwich panels: Comparisons and parametric designs. Composite Structures. 2018;183:242-261. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruct.2017.03.018]
Evans KE. The design of doubly curved sandwich panels with honeycomb cores. Composite Structures. 1991;17(2):95-111. [Link] [DOI:10.1016/0263-8223(91)90064-6]
Yang C, Vora HD, Chang Y. Behavior of auxetic structures under compression and impact forces. Smart Materials and Structures. 2018;27(2):025012. [Link] [DOI:10.1088/1361-665X/aaa3cf]
Safikhani Nasim M, Etemadi E. Three dimensional modeling of warp and woof periodic auxetic cellular structure. International Journal of Mechanical Sciences. 2018;136:475-481. [Link] [DOI:10.1016/j.ijmecsci.2018.01.002]
Hamzehei R, Kadkhodapour J, Pourkamali Anaraki A, Rezaei S, Dariushi S, Rezadoust AM. Octagonal auxetic metamaterials with hyperelastic properties for large compressive deformation. International Journal of Mechanical Sciences. 2018;145:96-105. [Link] [DOI:10.1016/j.ijmecsci.2018.06.040]
Zhang XC, Ding HM, An LQ, Wang XL. Numerical investigation on dynamic crushing behavior of auxetic honeycombs with various cell-wall angles. Advances in Mechanical Engineering. 2015;7(2):679678. [Link] [DOI:10.1155/2014/679678]