Влияние параметров элементарной ячейки тетрахирального механического метаматериала на его эффективные свойства
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu01.2021.113Аннотация
В статье с использованием численного моделирования мы изучаем поведение трехмерного хирального механического метаматериала. Особенностью хиральных структур является то, что при их одноосном нагружении наблюдается закручивание вдоль оси нагружения. Стержень механического метаматериала состоит из 3×3×9 элементарных ячеек по трем ортогональным осям. Относительная деформация одноосного сжатия образца при моделировании не превышала 3.3%. Моделирование проводилось методом конечных элементов в трехмерном случае. В этом контексте представлены оригинальные результаты о зависимости угла поворота и реакции жестко закрепленной опоры образца метаматериала от параметров, характеризующих структуру элементарной ячейки метаматериала. Все зависимости, кроме одной, являются нелинейными с частями больших и малых изменений.Ключевые слова:
численное моделирование, метод конечных элементов, метаматериал, соотношение структура-свойства, хиральная структура, одноосная деформация, поворот
Скачивания
Данные скачивания пока недоступны.
Библиографические ссылки
Литература
1. Kweun J.M., Lee H. J., Oh J.H., Seung H.M., Kim Y.Y. Transmodal Fabry-P´erot resonance: Theory and realization with elastic metamaterials. Phys. Rev. Lett. 118, 205901-1–205901-6 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.205901
2. Evans K.E., Nkansah M.A., Hutchinson I. J., Rogers S.C. Molecular network design. Nature 353 (6340), 124–125 (1991). https://doi.org/10.1038/353124a0
3. Lesieutre G., Browne J.A., Frecker M. Scaling of performance, weight, and actuation of a 2-D compliant cellular frame structure for a morphing wing. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 22 (10), 979–986 (2011). https://doi.org/10.1177/1045389X11412641
4. Olympio K.R., Gandhi F. Flexible Skins for Morphing Aircraft Using Cellular Honeycomb Cores. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 21 (17), 1719–1735 (2010). https://doi.org/10.1177/1045389X09350331
5. Bubert E.A., Woods B.K., Lee K., Kothera C. S., Wereley N.M. Design and fabrication of a passive 1D morphing aircraft skin. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 21 (17), 1699–1717 (2010). https://doi.org/10.1177/1045389X10378777
6. Heo H., Ju J., Kim D.-M., Jeon C.-S. Passive Morphing Airfoil with Honeycombs. Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Volume 1: Advances in Aerospace Technology; Energy Water Nexus; Globalization of Engineering; Posters. Denver, Colorado, USA, 263–271 (2011). https://doi.org/10.1115/IMECE2011-64350
7. Ju J., Ananthasayanam J., Summers J.D., Joseph P. Design of cellular shear bands of a nonpneumatic tire-Investigation of contact pressure. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems 3 (1), 598–606 (2010). https://doi.org/10.4271/2010-01-0768
8. Ju J., Kim D.-M., Kim K. Flexible cellular solid spokes of a non-pneumatic tire. Composite Structures 94 (8), 2285–2295 (2012). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.12.022
9. Goldstein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D. S., Volkov M.A. Negative Poisson’s ratio for cubic crystals and nano/microtubes. Phys. Mesomech. 17 (2), 97–115 (2014). https://doi.org/10.1134/S102995991402002
10. Goldstein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D. S., Volkov M.A. Thin Homogeneous TwoLayered Plates of Cubic Crystals with Different Layer Orientation. Phys. Mesomech. 22 (4), 261–268 (2019). https://doi.org/10.1134/S1029959919040015
11. Prall D., Lakes R. S. Properties of a chiral honeycomb with a Poisson’s ratio of −1. Int. J. Mech. Sci. 39 (3), 305–314 (1997).
12. Pendry J.B. A Chiral Route to Negative Refraction. Science 306 (5700), 1353–1355 (2004). https://doi.org/10.1126/science.1104467
13. Gansel J.K., Thiel M., Rill M. S., Decker M., Bade K., Saile V., Freymann G. Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer. Science 325 (5947), 1513–1515 (2009). https://doi.org/10.1126/science.1177031
14. Frenzel T., Kadic M., Wegener M. Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist. Science 358 (6366), 1072–1074 (2017). https://doi.org/10.1126/science.aao4640
15. Fu M.-H., Zheng B.B., Li W.-H. A novel chiral three-dimensional material with negative Poisson’s ratio and the equivalent elastic parameters. Composite Structures 176, 442–448 (2017). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.05.027
16. Alderson A., Alderson K. L., Attard D., Evans K.E., Gatt R., Grima N., MillerW., Ravirala N., Smith C.W., Zied K. Elastic constants of 3-, 4- and 6-connected chiral and anti-chiral honeycombs subject to uniaxial in-plane loading. Composites Science and Technology 70 (7), 1042–1048 (2010). https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.07.009
References
1. Kweun J.M., Lee H. J., Oh J.H., Seung H.M., Kim Y.Y. Transmodal Fabry-P´erot resonance: Theory and realization with elastic metamaterials. Phys. Rev. Lett. 118, 205901-1–205901-6 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.205901
2. Evans K.E., Nkansah M.A., Hutchinson I. J., Rogers S.C. Molecular network design. Nature 353 (6340), 124–125 (1991). https://doi.org/10.1038/353124a0
3. Lesieutre G., Browne J.A., Frecker M. Scaling of performance, weight, and actuation of a 2-D compliant cellular frame structure for a morphing wing. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 22 (10), 979–986 (2011). https://doi.org/10.1177/1045389X11412641
4. Olympio K.R., Gandhi F. Flexible Skins for Morphing Aircraft Using Cellular Honeycomb Cores. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 21 (17), 1719–1735 (2010). https://doi.org/10.1177/1045389X09350331
5. Bubert E.A., Woods B.K., Lee K., Kothera C. S., Wereley N.M. Design and fabrication of a passive 1D morphing aircraft skin. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 21 (17), 1699–1717 (2010). https://doi.org/10.1177/1045389X10378777
6. Heo H., Ju J., Kim D.-M., Jeon C.-S. Passive Morphing Airfoil with Honeycombs. Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Volume 1: Advances in Aerospace Technology; Energy Water Nexus; Globalization of Engineering; Posters. Denver, Colorado, USA, 263–271 (2011). https://doi.org/10.1115/IMECE2011-64350
7. Ju J., Ananthasayanam J., Summers J.D., Joseph P. Design of cellular shear bands of a nonpneumatic tire-Investigation of contact pressure. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems 3 (1), 598–606 (2010). https://doi.org/10.4271/2010-01-0768
8. Ju J., Kim D.-M., Kim K. Flexible cellular solid spokes of a non-pneumatic tire. Composite Structures 94 (8), 2285–2295 (2012). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.12.022
9. Goldstein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D. S., Volkov M.A. Negative Poisson’s ratio for cubic crystals and nano/microtubes. Phys. Mesomech. 17 (2), 97–115 (2014). https://doi.org/10.1134/S102995991402002
10. Goldstein R.V., Gorodtsov V.A., Lisovenko D. S., Volkov M.A. Thin Homogeneous TwoLayered Plates of Cubic Crystals with Different Layer Orientation. Phys. Mesomech. 22 (4), 261–268 (2019). https://doi.org/10.1134/S1029959919040015
11. Prall D., Lakes R. S. Properties of a chiral honeycomb with a Poisson’s ratio of −1. Int. J. Mech. Sci. 39 (3), 305–314 (1997).
12. Pendry J.B. A Chiral Route to Negative Refraction. Science 306 (5700), 1353–1355 (2004). https://doi.org/10.1126/science.1104467
13. Gansel J.K., Thiel M., Rill M. S., Decker M., Bade K., Saile V., Freymann G. Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer. Science 325 (5947), 1513–1515 (2009). https://doi.org/10.1126/science.1177031
14. Frenzel T., Kadic M., Wegener M. Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist. Science 358 (6366), 1072–1074 (2017). https://doi.org/10.1126/science.aao4640
15. Fu M.-H., Zheng B.B., Li W.-H. A novel chiral three-dimensional material with negative Poisson’s ratio and the equivalent elastic parameters. Composite Structures 176, 442–448 (2017). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.05.027
16. Alderson A., Alderson K. L., Attard D., Evans K.E., Gatt R., Grima N., MillerW., Ravirala N., Smith C.W., Zied K. Elastic constants of 3-, 4- and 6-connected chiral and anti-chiral honeycombs subject to uniaxial in-plane loading. Composites Science and Technology 70 (7), 1042–1048 (2010). https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.07.009
Загрузки
Опубликован
29.05.2021
Как цитировать
Ахметшин, Л. Р., & Смолин, И. Ю. (2021). Влияние параметров элементарной ячейки тетрахирального механического метаматериала на его эффективные свойства. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 8(1), 150–157. https://doi.org/10.21638/spbu01.2021.113
Выпуск
Раздел
Механика
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
