Výpočtové modelování superelastických metamateriálů

Abstract

Využití slitin s tvarovou pamětí v kombinaci s komplexní geometrií aditivně vyráběných metamateriálů umožňuje návrh morfovatelných segmentů schopných plynule měnit svůj tvar při zachování strukturální integrity. Ty mohou najít uplatnění například v oblasti letectví jako efektivnější náhrada konvenčních vztlakových klapek a přispět k vyšší účinnosti letu i nižší ekologické zátěži. Výhodou těchto řešení je nejen velká míra reverzibilní deformace, násobně překračující možnosti konvenčních materiálů, ale také možnost cíleného řízení směrové tuhosti prostřednictvím optimalizace vnitřní geometrie. Tato práce se zabývala analýzou vlivu vnitřního geometrického uspořádání superelastického 2D metamateriálu ze slitiny NiTi na rozsah pseudoelastických deformací a anizotropii mechanické odezvy. Získané výsledky umožnily identifikovat zásadní vliv deformačního režimu a distribuce napětí na rozsah pseudoelastických deformací. Klíčovými prvky byly velikost poloměru zaoblení a zúžené stěny, jejichž optimalizací bylo možné rozsah navýšit až o 183 %. Z pohledu anizotropní odezvy se jako klíčové opět ukázaly být velikost poloměru zaoblení a zúžené stěny, jimiž bylo možné řídit deformační režimy při jednotlivých způsobech zatěžování, a tím i míru anizotropie v rozsahu A = 1-7,74, a taktéž poloha spojů, která určovala celkový způsob přenosu namáhání.

The use of shape memory alloys in combination with the complex geometry of additively manufactured metamaterials enables the design of morphable segments capable of continuously changing their shape while maintaining structural integrity. These may find applications, e.g. in the field of aviation as a more efficient replacement for conventional flaps and contribute to higher flight efficiency and lower environmental burden. The advantage of these solutions is not only the high degree of reversible deformation, exceeding the capabilities of conventional materials by many times, but also the possibility of targeted control of directional stiffness through optimization of the internal geometry. In this thesis, the effect of the internal geometry of a superelastic 2D NiTi alloy metamaterial on the extent of pseudoelastic deformation and the anisotropy of the mechanical response was analyzed. The obtained results allowed to identify the major influence of the deformation mode and stress distribution on the extent of pseudoelastic deformations. The key elements proved to be the size of the fillet radius and the tapered walls, which could be optimised to increase the extent by up to 183 %. In terms of the anisotropic response, the size of the fillet radius and the tapered walls were again found to be key elements, which allowed to control the deformation modes under the different loading conditions and thus the degree of anisotropy in the range A = 1-7.74, as well as the position of the joints, which determined the overall load transfer.