مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تعیین خواص مکانیکی یک سازه آگزتیک میکروسلولی با بهره‌گیری از تئوری گرادیان کرنشی اصلاح شده

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
سید محمد اخوان علوی
رحمت اله قاجار
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
10.22034/MME.24.1.11
چکیده
در این مقاله به تعیین خواص مکانیکی یک سازه آگزتیک میکروسلولی پرداخته می­شود. این سازه مشبک متشکل از سلول­های شش ضلعی درون­رو است که ابعاد دیواره­ی سلول­های آن در مقیاس میکرو می­باشد. ابتدا با استفاده از تئوری گرادیان کرنشی اصلاح شده (MSGT) و روش انرژی، خواص مکانیکی سازه آگزتیک میکروسلولی به روش تحلیلی استخراج می­گردد. سپس جهت صحت­سنجی نتایج، ضریب یانگ یک سازه آگزتیک میکروسلولی توسط آزمون کشش تعیین و با نتایج تحلیلی مقایسه می­گردد. مقایسه نتایج تحلیلی و تجربی تطابق خوبی را نشان می­دهند. برای ساخت سازه آگزتیک میکروسلولی از دستگاه برش لیزر نانوثانیه استفاده می­شود. همه آزمون­های کشش مطابق استاندارد ISO 6892-1 انجام می­گردد. نتایج نشان می­دهند که تئوری گرادیان کرنشی اصلاح شده نقش مهمی را در تعیین خواص مکانیکی سازه­های مشبک میکروسلولی ایفا می­کند، به طوری که در برخی از موارد، نتایج حاصل از این تئوری با تئوری کلاسیک بیش از 100% اختلاف دارند. همچنین مشاهده می­شود که با تغییر پارامتر­های هندسی میکروسلول، خواص مکانیکی سازه آگزتیک قابل تنظیم است. به عنوان نمونه با کاهش اندازه زاویه دیواره سلول، ضریب یانگ در راستای X 1 افزایش و ضریب یانگ در راستای X 2 و ضریب برشی سازه کاهش می­یابند.
کلیدواژه‌ها
آگزتیک
سازه میکروسلولی
تیر میکرو
تئوری گرادیان کرنشی اصلاح شده

موضوعات

عنوان مقاله English

Determination of Mechanical Properties of a Micro-Cellular Auxetic Structure Using Modified Strain Gradient Theory

نویسندگان English

Seyed Mohammad Akhavan Alavi
Rahmatollah Ghajar
Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology
چکیده English

In this article, the determination of the mechanical properties of a micro-cellular auxetic structure is investigated. This lattice structure consists of hexagonal cells, whose cell-wall dimensions are on a micro-scale. First, using modified strain gradient theory (MSGT) and energy method, the mechanical properties of the micro-cellular auxetic structure are analytically obtained. Then for validation, Young's modulus of a micro-cellular auxetic structure is derived by tensile test and compared with theoretical results. The comparison of analytical and experimental results shows good agreement. A nanosecond laser cutting machine is used to fabricate the microcellular auxetic structure, and the ISO 6892-1 standard is used to perform tensile tests. The results show that the modified strain gradient theory plays an important role in determining the mechanical properties of micro-cellular auxetic structures. In some cases, the results of this theory are more than 100% different from the classical theory. In addition, it can be seen that by changing the dimensional parameters of the micro-cells, the mechanical properties of the auxetic structure can be tunable. For example, by reducing the magnitude of the angle of the cell wall, Young's modulus in the X 1 direction increases, and Young's modulus in the X 2 direction and the shear modulus of the structure decrease

کلیدواژه‌ها English

Auxetic
Micro-Cellular Structure
Micro Beam
MSGT
1. Paxton NC, Daley R, Forrestal DP, Allenby MC, Woodruff MA. Auxetic tubular scaffolds via melt electrowriting. Materials & Design. 2020;193(108787):108787.
2. Novak N, Vesenjak M, Ren Z. Auxetic Cellular Materials - a Review. Journal of Mechanical Engineering. 2016;62(9):485–93.
3. Alderson A, Alderson KL. Auxetic materials. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2007;221(4):565–75.
4. Kusum M, Sarat S. A new auxetic structure with significantly reduced stress concentration effects Materials & Design. 2019;173(107779):107779.
5. Wang T, Li Z, Wang L, Zhang X, Ma Z. In-plane elasticity of a novel arcwall-based double-arrowed auxetic honeycomb design: Energy-based theoretical analysis and simulation. Aerospace Science and Technology. 2022;127(107715):107715.
6. Harkati E, Daoudi N, Bezazi A, Haddad A, Scarpa F. In-plane elasticity of a multi re-entrant auxetic honeycomb. Composite Structures. 2017;180:130–9.
7. Valente J, Plum E, Youngs IJ, Zheludev NI. Nano- and micro-auxetic plasmonic materials. Advanced Materials. 2016;28(26):5176–80.
8. Koudelka P, Neuhauserova M, Fíla T, Kytýř D. Deformation mechanisms of auxetic microstructures for energy absorption applications. Applied Mechanics and Materials. 2016;821:428–34.
9. Gibson LJ, Ashby MF. Cellular Solids: Structure and Properties. London, England: Pergamon Press; 1988.
10. Masters IG, Evans KE. Models for the elastic deformation of honeycombs. Composite Structures. 1996;35(4):403–22.
11. Omidi M, St-Pierre L. Mechanical properties of semi-regular lattices. Materials & Design. 2022;213(110324):110324.
12. AkhavanAlavi SM, Mohammadimehr M, Edjtahed SH. Active control of micro Reddy beam integrated with functionally graded nanocomposite sensor and actuator based on linear quadratic regulator method. European Journal of Mechanics - A/Solids. 2019;74:449–61.
13. Allahyari E, Asgari M, Pellicano F. Nonlinear strain gradient analysis of nanoplates embedded in an elastic medium incorporating surface stress effects. The European Physical Journal Plus. 2019;134(5):191.
14. Kong SL. Bending analysis of cantilever micro-beams based on strain gradient elasticity theory. Advanced Materials Research. 2013;694–697:172–5.
15. Lam DCC, Yang F, Chong ACM, Wang J, Tong P. Experiments and theory in strain gradient elasticity. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2003;51(8):1477–508.
16. Talimian A, Béda P. Dynamic stability of a size-dependent micro-beam. European Journal of Mechanics - A/Solids. 2018;72:245–51.
17. Allahkarami F, Nikkhah-bahrami M, Saryazdi MG. Magneto-thermo-mechanical dynamic buckling analysis of a FG-CNTs-reinforced curved microbeam with different boundary conditions using strain gradient theory. International Journal of Mechanics and Materials in Design. 2018;14(2):243–61.
18. Yang WD, Fang CQ, Wang X. Nonlinear dynamic characteristics of FGCNTs reinforced microbeam with piezoelectric layer based on unifying stress-strain gradient framework. Composites Part B: Engineering. 2017;111:372–86.
19. Hoffmann H, Hong S. Tensile test of very thin sheet metal and determination of flow stress considering the scaling effect. CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2006;55(1):263–6.
20. Lekesiz H, Bhullar SK, Karaca AA, Jun MBG. Mechanical characterization of auxetic stainless steel thin sheets with reentrant structure. Smart Materials and Structures. 2017;26(8):085022.
21.

22. Pereira AB, Santos RO, Carvalho BS, Butuc MC, Vincze G, Moreira LP. The evaluation of laser weldability of the third-generation advanced high strength steel. Metals (Basel). 2019;9(10):1051.
Lozertova M, Stamborska M, Lapin J, Mares V. Comparison of deformation behavior of 316L stainless steel and Ti6AL4V alloy applied in traumatology. Metalurgija. 2016;55(4):667-70.
23. Song J, Wei Y. A method to determine material length scale parameters in elastic strain gradient theory. Journal of Applied Mechanics. 2020;87(3).
24. Shodja HM, Tehranchi A. A formulation for the characteristic lengths of fcc materials in first strain gradient elasticity via the Sutton–Chen potential. Philosophical magazine (Abingdon). 2010;90(14):1893–913.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 24، شماره 1
دی 1402
صفحه 11-20