نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.

2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.

3 استاد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.

10.22068/jstc.2021.528762.1719

چکیده

در این مقاله به دسته جدیدی از ساختارهای مشبک تحت عنوان ساختارهای آگزتیک پرداخته شده است که به دلیل وزن پایین، سفتی و مقاومت برشی بالا کاربردهای مختلفی در انواع سازه‌ها از جمله سازه‌های جاذب انرژی دارند. ویژگی های منحصر به فرد این ساختارهای مشبک را می‌توان به هندسه خاص و منفی بودن ضریب پواسون آنها مرتبط دانست. در این مطالعه، به بررسی تجربی رفتار سه سازه آگزتیک الاستومری از جنس تی‌پی-یو با هندسه‌های آنتی تتراکایرال، اَرُهِد (سرنیزه‌ای)، ری‌اینترنت در بارگذاری شبه استاتیکی و ضربه‌ای و مقایسه آن‌ها با یک سازه غیرآگزتیک لانه‌زنبوری پرداخته شده است. نمونه‌ها با استفاده از روش ساخت افزایشی (پرینت سه بعدی) تهیه شده و پارامترهایی مانند میزان جذب انرژی و میزان جذب انرژی بر واحد طول فشردگی برای ارزیابی این ساختارها مورد استفاده قرار گرفته است. بارگذاری ضربه‌ای در دو سطح انجام شده تا قابلیت جذب انرژی و مکانیزم‌های تغییرشکل هر سازه در سطوح مختلف انرژی بررسی شود. نتایج حاکی از آن است که ساختارهای آگزتیک در بارگذاری شبه استاتیکی به مراتب جذب انرژی بیشتری داشته و در بارگذاری ضربه‌ای قابلیت جذب انرژی بر واحد طول فشردگی بیشتری نسبت به سازه غیرآگزتیک لانه زنبوری از خود نشان می‌دهند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation on the Energy Absorption of Elastomeric Auxetic Structures in Quasi-static and Impact Loading

نویسندگان [English]

  • Majid Parvaresh 1
  • Hamed Ahmadi 2
  • Gholamhossein Liaghat 3

1 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

2 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

3 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

چکیده [English]

In this paper, a new category of lattice structures called auxetic structures has been studied, which due to low weight, high stiffness and shear strength, have various applications including energy absorption. The unique features of these lattice structures can be related to their special geometry and the Negative Poisson's ratio. In this study, three elastomeric auxetic structures made of TPU with geometries of Anti-tetra chiral, Arrowhead and Reentrant were investigated experimentally at quasi-static and impact loading and compared with a non-auxetic Honeycomb structure. The specimens were fabricated by additive manufacturing method and evaluated using the parameters such as the absorbed energy and the energy per unit length of compaction. Impact loading was performed at two level to investigate the energy absorption capability and deformation mechanisms of the structures in different level of loading. The results show that the auxetic structures absorb much more energy than non-auxetic conventional ones in quasi-static loading and absorb more energy per unit length compaction in impact loading.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Elastomeric Auxetic Structures
  • energy absorption
  • absorbed Energy Per Unit length of compaction
  • quasi-static loading
  • impact loading
[1] Wang, X.T., Wang, B., Li, X.W., and Ma, L. “Mechanical Properties of 3D Re-Entrant Auxetic Cellular Structures”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 52, No. 23, pp. 3265-3273, 2017.
[2] Maconachie, T., Leary, M., Lozanovski, B., Zhang, X., Qian, M., Faruque, O.,and . Brandt, M. “SLM Lattice Structures: Properties, Performance, Applications and Challenges”, Materials & Design, Vol. 183, Mater. Des. 2019.                                 
[3] Zhu, F., Lu, G., Ruan, D., and Wang, Zh. “Plastic Deformation, Failure and Energy Absorption of Sandwich Structures with Metallic Cellular Cores”, International Journal of Protective Structures, Vol. 1, No. 4, pp. 507-541. 2010.
[4] Yang, Ch., Vora, H. D., and Chang, Y. “Behavior of Auxetic Structures under Compression and Impact Forces”, Smart Materials and Structures, Vol. 27, No. 2, 2018.                   
[5] Lakes, R.” Foam Structures with a Negative Poisson's Ratio”, Scince, Vol. 235, No. 4792, pp.1038-1040. 1987.
[6] Mir, M., Najabat Ali, M., Sami, J.,and  Ansari,  U.” Review of Mechanics and Applications of Auxetic Structures”, Advances in Materials Science and Engineering ,Vol. 2014, pp. 1-17, 2014.                                                       
[7] Dengbao, X., Dong, Zh., Li, Y., Wu, W., and Fang, D.“Compression Behavior of the Graded Metallic Auxetic Reentrant Honeycomb: Experiment and Finite Element Analysis”, Materials Science and Engineering, Vol. 758, pp. 163-171,  2019.
[8] Ingrole, A., Hao, A., and Liang, R. “Design and Modeling of Auxetic and Hybrid Honeycomb Structures for In‐Plane Property Enhancement”, Materials & Design, Vol. 117, pp. 72-83, 2017.
[9] Shokri Rad, M., Hatami, H., Alipouri, R., Farokhi Nejad, A., and Omidinasab, F. “Determination of Energy Absorption in Different Cellular Auxetic Structures”, Mechanics & Industry, Vol. 20, No. 3, PP. 1-11, 2018.
[10] Alomarah, A., Masood, S.H., Sbarsk, L., Faisal, B., Gaol, Zh., and Ruan, D. “Compressive Properties of 3D Printed Auxetic Structures: Experimental and Numerical Studies”, Virtual and Physical Prototyping, Vol. 15, No. 1, 2019.
[11] Strek, T., Jopek, H., and Nienartowicz, M. “Dynamic Response of Sandwich Panels with Auxetic Cores”, physica status solidi, Vol. 252, No. 7, pp. 1540-1550. 2015.
[12] Najafi, M., Ahmadi, H., and Liaghat, Gh. " Experimental and Numerical Investigation of Energy Absorption in Auxetic Structures under Quasi-static Loading" , In Persian , Modares Mechanical Engineering, Vol. 20, No. 2, pp. 415-424. 2020.
[13] Habib, F.N., Lovenitti, P., Masood, S.H., and Nikzad, M. “Fabrication of Polymeric Lattice Structures for Optimum Energy Absorption using Multi Jet Fusion Technology”, Materials & Design, Vol. 155, pp. 86-98, 2018.
[14] Eric C. Clough, Thomas A. Plaisted, Zak C. Eckel, Kenneth Cante, Jacob M. Hundley, and Tobias A. Schaedler. “Elastomeric Microlattice Impact Attenuators”, Matter, Vol. 1, No. 6, pp. 1519-1531, 2019.
[15] Vuyk, P., and Harne, R. L. “Collapse Characterization and Shock Mitigation by Elastomeric Metastructures”, Extreme Mechanics Letters, Vol.  37, 100682, 2020.
[16] Yuan, Sh., Shen, F., Bai, J., Chua, Ch. K., Wei, J., and Zhou, K. “3D Soft Auxetic Lattice Structures Fabricated by Selective Laser Sintering: TPU Powder Evaluation and Process Optimization”, Materials & Design, Vol. 120, pp. 317-327, 2017.
[17] Shen, F., Yuan, Sh., Guo, Y., Zhao, B., Bai, J., Qwamizadeh, M., Chua, Ch. K., Wei, J., and Zhou, K. “Energy Absorption of Thermoplastic Polyurethane Lattice Structures via 3D Printing: Modeling and Prediction”, International Journal of Applied Mechanics, Vol. 8, No. 7, 2016.
[18] Gibson, L.J., and Ashby, MF. “Cellular Solids: Structure and Properties”, Cambridge, Londan, England, 1997.