Návrh auxetických struktur pro technologii selective laser melting

S rozvojem aditivních technologií bylo umožněno vyrábět auxetické struktury s komplikovanou geometrií. I přes jejich intenzivní studium zatím nebyl prozkoumán jejich potenciál vysoké odolnosti vůči lokálnímu zatížení. Popsání tohoto jevu a jeho příčin by umožnilo efektivně navrhovat struktury se značně zvýšenou odolností proti nárazu cizích objektů. Proto se tato práce zabývala deformačním chováním auxetické re-entrant honeycomb struktury při lokálním zatížení. Byl zkoumán vztah mezi odolností struktury vůči lokálnímu zatížení a velikostí záporného Poissonova čísla, které bylo řízeno pomocí geometrie základní buňky. Pro určení Poissonova čísla struktur bylo využito analytického přístupu. Následně byla pomocí metody konečných prvků provedena predikce chování struktur při lokálním zatížení za předpokladu malých a velkých deformací. Toto chování bylo následně experimentálně ověřeno pro malé i velké rychlosti deformace na strukturách vyrobených technologií selective laser melting. Bylo zjištěno, že pro předpoklad malých deformací platí, že čím menší má struktura Poissonovo číslo, tím více je odolná vůči lokálnímu zatížení. To ovšem neplatí pro předpoklad velkých deformací, kdy docházelo k těžko předvídatelné interakci a borcení stěn. Dále se ukázalo, že se struktury s tenčími stěnami více deformují, čímž využívají celý svůj deformační potenciál a tím pádem jsou více odolné vůči lokálnímu zatížení. Při testování za malých i velkých rychlostí deformací bylo pozorováno přeskupení struktury do místa nárazu ve dvou směrech, kolmo a proti směru zatížení. Bylo zjištěno, že struktury s rozdílnou geometrií, ale stejným Poissonovým číslem mají z hlediska míry deformace a síly přenášené na podložku stejné deformační chování. Poznatky práce přispívají k poznání o chování auxetické struktury při lokálním zatížení, čehož může být využito při návrhu takto zatěžovaných struktur v konkrétních aplikacích.
With the development of additive technologies, it became possible to produce auxetic structures with complicated geometries. Despite their intensive study, their potential for high resistance to local loading has not yet been explored. Describing this phenomenon and its causes would enable the effective design of structures with greatly enhanced resistance to foreign object impact. Therefore, this work investigated the deformation behavior of auxetic re-entrant honeycomb structures under local loading. The relationship between the resistance of the structure to local loading and the magnitude of the negative Poisson´s number, which was controlled by the geometry of the basic cell, was investigated. An analytical approach was used to determine the Poisson´s number of the structures. Subsequently, a prediction of the local loading behaviour of the structures was made using the finite element method assuming small and large deformations. This behavior was then experimentally verified for small and large strain rates on structures fabricated by selective laser melting technology. It was found that for the assumption of small deformations, the smaller the Poisson´s number of the structure, the more resistant it is to local loading. However, this does not apply to the assumption of large deformations, where the wall interaction and its buckling were difficult to predict. Furthermore, structures with thinner walls were shown to deform more, thus using their full deformation potential and therefore being more resistant to local loading. When tested at both low and high strain rates, a rearrangement of the structure towards the impact location was observed in two directions, perpendicular and against the direction of loading. It was found that structures with different geometry but the same Poisson's number have the same deformation behavior in terms of strain rate and reaction force. The findings of this work contribute to the understanding of the behaviour of auxetic structures under local loading, which can be used in the design of such loaded structures in specific applications.

Keywords

Auxetická struktura, záporné Poissonovo číslo, lokální zatížení, metoda konečných prvků, selective laser melting, rázové zatížení, Auxetic structure, negative Poisson´s ratio, local loading, finite element method, selective laser melting, impact loading

Citation

PCHÁLEK, V. Návrh auxetických struktur pro technologii selective laser melting [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2023.

Language of document

cs

Study field

bez specializace

Comittee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda) doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda) doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen) doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen) prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen) Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen) Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen) doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)

Date of acceptance

2023-06-20

Defence

Student prezentoval svoji práci a odpověděl na otázky oponenta: 1) Mohl by autor popsat materiálové modely, které použil pro jednotlivé simulace a jak jednotlivé materiálové parametry získal? ZODPOVĚZENO 2) Mohl by autor podrobněji popsat mechanismus výběru geometrické konfigurace auxetické struktury? ZODPOVĚZENO 3) Kde vidíte možnosti zlepšení, představeného numerického modelu. Jak velké struktury by šlo představenou metodologií modelovat? ZODPOVĚZENO doc. Hutař – Jsou k něčemu simulace malých deformací? ZODPOVĚZENO doc. Horák – Proč jste rovnou použil 3D model, nemohl jste využít symetrický model? ZODPOVĚZENO Dr. Dočekalová – Můžete mi říct, jak výtiskem takovéto struktury zaručíme dostatečnou bezpečnost? ZODPOVĚZENO Dr. Dočekalová – Existují standardy k hodnocení takovýchto struktur? ZODPOVĚZENO Dr. Dočekalová – Můžete výsledky vztáhnout k něčemu jinému, a ne mezi sebou? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek – Vzal jste někde inspiraci a je využitá metrika hodnocení promyšlená? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek – Mají struktury se záporným Poissonovým číslem specifické využití? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Je měřítka auxeticity Poissonovo číslo? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Májí struktury nějaký objemový model pružnosti? ZODPOVĚZENO doc. Koutný – Studoval jste v práci vliv velikosti vnikajícího tělesa na chování struktury? ZODPOVĚZENO doc. Koutný – Prováděl jste citlivostní analýzu pro indentor? ZODPOVĚZENO doc. Koutný – Podařilo se vám kvantifikovat vliv jednotlivých parametrů, tzn. na míru proniknutí tělesa? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – Neexistuje analytický vzorec popisující buňku a její reakční sílu? ZODPOVĚZENO

Result of defence

práce byla úspěšně obhájena

Document licence

Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení