Auxetikus struktúrák tervezése és mechanikai modellezése
Auxetikusnak nevezzük azokat az anyagokat vagy struktúrákat, amelyek Poisson-tényezője negatív értékeket is felvehet, vagyis hosszirányú húzás esetén a keresztirányú méretük megnőhet, továbbá a hagyományos anyagokhoz képest megnövekedett energiaelnyelő képességgel és több előnyös tulajdonsággal rendelkezhetnek [1-2]. Ezen dolgozat elsődleges célja egy átfogó módszertan kifejlesztése, amely megkönnyíti az említett metaanyagok tervezési folyamatát, ezzel kiterjesztve a lehetséges alkalmazási területeket.
Munkámban mechanikai szempontból vizsgáltam 2 mm vastag, szilikon lapokból kialakított struktúrákat mérésekkel és numerikus szimulációkkal. Négy különböző geometriát hoztam létre, különböző cellaszámokkal. A perforációk egy lézervágó gép segítségével kerültek kialakításra. A szilikon alapanyag mechanikai viselkedésének pontos modellezése érdekében egy harmadrendű, összenyomhatatlan, Ogden-féle hiperelasztikus anyagmodellt alkalmaztam [3]. Ez egy hat paramétert tartalmazó konstitutív modell, melyek illesztését Matlab-ban végeztem el a mérési eredmények, valamint a modell előrejelzése közötti hibafüggvény minimalizálásával. Az illesztéshez szabványos próbatesten elvégzett, egytengelyű húzásból származó, valamint az ebből megalkotott virtuális kéttengelyű húzási eredményeket használtam fel. Az auxetikus próbatestek is egytengelyű szakításnak lettek alávetve, egyoszlopos Instron univerzális tesztgép segítségével, nagy axiális alakváltozásokat elérve. A kísérletek nagy, 8K felbontású kamerával, videón kerültek rögzítésre, a felvételeket egy speciális mozgáskövető szoftverrel értékeltem ki [4]. A pillanatnyi Poisson-tényezőt a hosszirányú és a keresztirányú nyúlásokból számoltam. A végeselem szimulációk elvégzéséhez a Simulia Abaqus 2022-es verzióját használtam. A dolgozat utolsó nagyobb eleme egy optimalizáció, amit paramétersöprés formájában valósítottam meg, numerikus környezetben. Az egyik struktúra két geometriai paraméterét változtatva vizsgáltam a Poisson-tényező, valamint a szakítógép által kifejtett erő változását.
A kapott eredmények alapján elmondható, hogy sikerült megbízható mérési és szimulációs környezetet kialakítani, továbbá egy konkrét, auxetikus elem tervezése esetén fontos információval szolgál a paramétersöprés is, tekintettel arra, hogy a geometria függvényében az eredmények számottevő változása figyelhető meg.
Források:
1. Lim, T-C. Auxetic Materials and Structures. Springer, 2005.
2. Madhu Balan, P., Johnney Mertens, A., Raju Bahubalendruni, M. V. A. Auxetic mechanical metamaterials and their futuristic developments: A state-of-art review. Materials Today Communications, 2023.
3. Kossa, A. Continuum Mechanics Jegyzetek; Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Műszaki Mechanikai Tanszék, 2022.
4. Floch, K., Kossa, A. Motion Tracker Beta: A GUI based open-source motion tracking application. SoftwareX 23, 101424, 2023.
szerző
-
Vargovics Tamás
Gépészeti modellezés mesterképzési szak
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Kossa Attila
Egyetemi docens, Műszaki Mechanikai Tanszék
