Návrh high-performance auxetické struktury pro absorpci energie

Aditivní technologie umožňují vyrábět komplexní struktury s vysokou kontrolou nad jejich geometrickými parametry. V oblasti absorpce energie je vhodné použití právě strukturovaného materiálu, jelikož dokáže bezpečně pohltit velké množství energie. Pro výkonné absorbéry může být výhodné použití tzv. auxetických struktur, které díky své jedinečné vnitřní geometrii poskytují např. lepší redistribuci energie nárazu. Oproti konvenčním strukturám ovšem nedosahují tak vysokých hodnot pohlcené energie. Zároveň současná literatura nenabízí podrobný popis mechanismů navýšení pohlcené energie, na základě kterých by bylo možné efektivně upravit geometrii auxetické struktury. Tato diplomová práce se zabývala systematickým návrhem vnitřního uspořádání 2D auxetické struktury za účelem navýšení absorpčního výkonu. Bylo testováno pět rozdílných geometrií ramen a buňky s výztuhami s odstupňovanou vzdáleností od středu buňky. Následná tlaková zkouška ukázala na nízkou závislost použité geometrie ramen a významný přínos výztuh na navýšení pohlcené energie. Technologie DIC poskytla deformační mapy struktur, které vedly k objasnění způsobu navýšení energie implementací výztuh. Získané výsledky vedly k návrhu auxetické struktury, která absorbovala o 70 % více energie na jednotku hmotnosti oproti referenční geometrii.
Additive technologies enable the production of complex structures with high control over their geometric parameters. In the field of energy absorption, it is advantageous to use a structured material because they can safely absorb large amount of energy. For high-performance absorbers, it can be advantageous to use auxetic structures which, due to their unique internal geometry, provide, e.g. better energy redistribution. Compared to conventional structures, however, they do not achieve such high values of absorbed energy. Also, literature does not offer a detailed description of the mechanisms of absorbed energy increase, based on which the geometry of the auxetic structure could be effectively modified. This thesis dealt with the systematic design of the internal geometry of a 2D auxetic structure to increase the absorption performance. Five different arm geometries were tested as well as cells with reinforcements with stepped distance from the centre of the cell. Compression testing showed a low dependence of the arm geometry used and a significant benefit of the reinforcements on the energy absorbed. The DIC technology provided deformation maps of structures, which led to the clarification of the energy increase mechanism by the reinforcement implementation. The results obtained led to an auxetic structure that was able to absorb 70 % more energy per unit mass compared to the reference geometry.

Keywords

Auxetická struktura, navýšení absorpce energie, výztuhy struktury, selective laser melting, Auxetic structure, enhanced energy absorption, structure reinforcements, selective laser melting

Citation

SOBOL, V. Návrh high-performance auxetické struktury pro absorpci energie [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.

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) doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen) Ing. Dětřich Robenek (člen) Ing. Jan Čermák, Ph.D., MBA (člen)

Date of acceptance

2024-06-12

Defence

Student prezentoval svoji práci a odpověděl na otázky oponenta: Otázka č. 1: Na straně 38 autor stručně popisuje materiálový model pro numerické výpočty pomocí metody konečných prvků. Mohl by podrobněji popsat, jak materiálový model vypadal a jaké materiálové charakteristiky byly relevantní pro numerické modelování? ZODPOVĚZENO Otázka č. 2: Navržená struktura je dvoudimenzionální, bylo by možné navrhnout podobnou strukturu tak, že by se třeba základní buňka natáčela v prostoru? Měla by taková struktura některé výhodné vlastnosti z hlediska absorpce energie? ZODPOVĚZENO doc. Koutný – Zhodnoťte optimalizovanou strukturu vůči nominální, Jaká byla změna v pohlcené energii? ZODPOVĚZENO doc. Koutný – Lze říct že závislost tloušťky stěny na absorbované energii je lineární? ZODPOVĚZENO doc. Koutný – Kdybych mohl měnit tloušťku pře míru lamely co se stane? ZODPOVĚZENO doc. Maňas – Aby se dala struktura prakticky použít, musí se to dát prakticky spočítat. Jak jste prováděl výpočty vy? ZODPOVĚZENO doc. Maňas – Dokážete si představit materiálový model nebo vztahy, kde se lze dostat z absorbované energie na aplikovanou silou/tlakem? ZODPOVĚZENO Dr. Čermák – K čemu se používají tyto struktury? ZODPOVĚZENO Dr. Čermák – Co je to absorpční sféra? ZODPOVĚZENO Dr. Čermák – Zkoumal jste poměr hmotnost výkon? ZODPOVĚZENO doc. Horák – Je nějaká možnost rozvinout aplikace do 3D prostoru? ZODPOVĚZENO doc. Horák – Kam cílíte jsou vysoce dynamické děje. Jsou vlastnosti závislé na rychlosti deformace? ZODPOVĚZENO prof. Hutař – Když bude velmi vysoká rychlost zatížení, nedochází k porušování struktury? ZODPOVĚZENO prof. Hartl – MKP – když se elementy dotknou uvnitř, mění se úloha na kontaktní? ZODPOVĚZENO prof. Hutař – Počítalo se se třením? ZODPOVĚZENO

Result of defence

práce byla úspěšně obhájena

Document licence

Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení