علوم و فناوری کامپوزیت

ارائه یک ضریب تصحیح جهت بهبود تخمین نسبت پوآسون ساختار آگزتیک دو بعدی به کمک شبیه سازی و آزمایش

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار ، مهندسی مکانیک ، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه آیت ا … بروجردی، بروجر د

2 دانش آموخته کارشناسی مهندسی مکانیک ، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه آیت ا … بروجردی ، بروجر د

3 استادیار ، مهندسی مکانیک ، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه آیت ا … بروجردی ، بروجر د

چکیده

ساختارهای آگزتیک سازه‌های هستند که دارای نسبت پوآسون منفی هستند، از این رو استفاده از این سازه‌ها به دلیل رفتار منحصربه‌فردشان در صنایع هوایی و خودرویی رو به افزایش است. تخمین نسبت پوآسون در این ساختارها به منظور طراحی سازه‌های شخصی‌سازی شده مورد توجه است. برخی روابط تئوری جهت پیش‌بینی نسبت پوآسون سازه‌های آگزتیک دو بعدی ارائه شده است که به دلیل در نظر نگرفتن برخی پارامترهای هندسی از دقت کمی برخوردار هستند. در این پژوهش ابتدا یک مدل عددی بر پایه روش اجزا محدود به وسیله مقایسه و تحلیل نتایج آزمایشگاهی اعتبار سنجی می‌شود. به‌منظور اعتبار سنجی مدل عددی، نمونه‌ها در ابتدا به کمک یک چاپگر سه‌بعدی ساخته و به کمک روش پردازش تصویر نسبت پوآسون آن‌ها مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. سپس، با توجه به جدول طراحی متغیرهای هندسی، یک ضریب تصحیح بر پایه پارامترهای هندسی سازه به ویژه ضخامت اضلاع طوری تعریف می‌شود که در عین بی‌بعد بودن با کمترین تعداد پارامتر بتواند مدل تئوری را به بیشترین دقت در تخمین نسبت پوآسون برساند. نتایج نشان داد که با افزایش زاویه درونی و ضخامت اضلاع خطای رابطه تئوری افزایش می‌یابد که با در نظر گرفتن ضریب تصحیح ارائه شده تخمین نتایج بهبود قابل‌توجهی یافت به طوری که این ضریب می‌تواند خطای نتایج تئوری را از 800% به زیر 2% کاهش دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A correction factor to improve Poisson’s ratio prediction of 2D auxetic structure using finite element analysis and experiment

نویسندگان [English]

  • MOHAMMAD KASHFI 1
  • Payam Pourrabia 2
  • Parviz Kahhal 3

1 Mechanical engineering department, Ayatollah Boroujerdi University, Boroujerd, Iran.

2 Mechanical engineering department, Ayatollah Boroujerdi University, Boroujerd, Iran.

3 Mechanical engineering department, Ayatollah Boroujerdi University, Boroujerd, Iran.

چکیده [English]

Auxetic structures as a part of lattice structures are designed with a negative Poisson’s ratio. The use of these structures is increasing due to their customized behavior in the aerospace and automotive industries. Several theoretical relations have been proposed to predict Poisson’s ratio of 2D auxetic structures. Most simple relations could not predict the Poisson’s ratio with a reasonable accuracy due to the absence of structure thickness. In this work, a numerical model based on finite element method is first validated by experimental results. In order to verify the numerical model accuracy, the constructed model is validated by experiment. Samples are printed, and the Poisson’s ratio is measured using the DIC method during the compression test. A correction factor based on the geometrical parameters of the structure, especially the structure thickness, is then introduced. This dimensionless correction factor not only consists of the minimum number of parameters but also significantly improves the theatrical model accuracy. The results showed that the theoretical relation error is cumulated by increasing the structural angle and thickness. The present correction factor is successfully reduced the error of theoretical relation from 800% to less than 2%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Auxetic structures
  • Additive manufacturing
  • Finite element analysis
  • Poisson’s ratio
مراجع
[1] Lee, J.-Y., An, J. and Chua, C. K., “Fundamentals and Applications of 3d Printing for Novel Materials“ Applied Materials Today, 7, pp. 120-133, 2017.
[2] Kashfi, M., Fakhri, P., Amini, B., Yavari, N., Rashidi, B., Kong, L. and Bagherzadeh, , “A Novel Approach to Determining Piezoelectric Properties of Nanogenerators Based on PVDF Nanofibers Using Iterative Finite Element Simulation for Walking Energy Harvesting“ Journal of Industrial Textiles, pp. 23, 2020.
[3] Ansari, E., Majzoobi, G., Rahmani, K. and Kashfi, M., “The Effect of Middle Layer Material and Thickness on the Quasi-Static Energy Absorption of FML“ In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, 5, No. 3, pp. 427-436, 2018.
[4] Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q. and Hui, D., “Additive Manufacturing (3d Printing): A Review of Materials, Methods, Applications and Challenges“ Composites Part B: Engineering, 143, pp. 172-196, 2018.
[5] Yao, T., Ye, J., Deng, Z., Zhang, K., Ma, Y. and Ouyang, H., “Tensile Failure Strength and Separation Angle of Fdm 3d Printing Pla Material: Experimental and Theoretical Analyses“ Composites Part B: Engineering, 188, pp. 107894, 2020.
[6] Farah, S., Anderson, D. G. and Langer, R., “Physical and Mechanical Properties of Pla, and Their Functions in Widespread Applications—a Comprehensive Review“ Advanced drug delivery reviews, 107, pp. 367-392, 2016.
[7] Zhang, J., Lu, G. and You, Z., “Large Deformation and Energy Absorption of Additively Manufactured Auxetic Materials and Structures: A Review“ Composites Part B: Engineering, 201, pp. 108340, 2020.
[8] Quan, C., Han, B., Hou, Z., Zhang, Q., Tian, X. and Lu, T. J., “3d Printed Continuous Fiber Reinforced Composite Auxetic Honeycomb Structures“ Composites Part B: Engineering, 187, pp. 107858, 2020.
[9] Rezaei, S., Kadkhodapour, J., Hamzehei, R., Taherkhani, B., Anaraki, A. P. and Dariushi, S., “Design and Modeling of the 2d Auxetic Metamaterials with Hyperelastic Properties Using Topology Optimization Approach“ Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, 43, pp. 100868, 2021.
[10] Safikhani Nasim, M. and Etemadi, E., “Analysis of Effective Parameters of Auxetic Composite Structure Made with Multilayer Orthogonal Reinforcement by Finite Element Method“In Persian, Modares Mechanical Engineering, 17, No. 4, pp. 247-254, 2017.
[11] Najafi, M., Ahmadi, H. and Liaghat, G. H., “Experimental and Numerical Investigation of Energy Absorption in Auxetic Structures under Quasi-Static Loading“ In Persian, Modares Mechanical Engineering, 20, No. 2, pp. 415-424, 2020.
[12] 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, 1, pp. 396-407, 2017.
[13] Lvov, V., Senatov, F., Korsunsky, A. and Salimon, A., “Design and Mechanical Properties of 3d-Printed Auxetic Honeycomb Structure“ Materials Today Communications, 24, pp. 101173, 2020.
[14] Chen, Z., Wu, X., Xie, Y. M., Wang, Z. and Zhou, S., “Re-Entrant Auxetic Lattices with Enhanced Stiffness: A Numerical Study“ International Journal of Mechanical Sciences, 178, pp. 105619, 2020.
[15] Dutta, S., Menon, H. G., Hariprasad, M., Krishnan, A. and Shankar, B., “Study of Auxetic Beams under Bending: A Finite Element Approach“ Materials Today: Proceedings, 47, 2020.
[16] Gao, Y., Zhou, Z., Hu, H. and Xiong, J., “New Concept of Carbon Fiber Reinforced Composite 3d Auxetic Lattice Structures Based on Stretching-Dominated Cells“ Mechanics of Materials, 152, pp. 103661, 2021.
 
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 8، شماره 2
شهریور 1400
صفحه 1556-1562
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار