ارائه روش جدید ساخت و بررسی عددی و تجربی رفتار کمانش فراسازه استوانه‌ای ماهی‌شکل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران.

2 کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران.

3 کارشناسی مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران.

10.48301/kssa.2024.414483.2687

چکیده

فراسازه‌­های سلولی ماهی­‌شکل با توجه به رفتار ضریب پوآسون صفر آنها، مورد توجه گسترده پژوهشگران قرار گرفته­‌اند. با این­ وجود، روش ساخت آنها  که عمدتاً مبتنی بر ساخت افزایشی است، یکی از محدودیت‌­های این فراسازه‌­ها محسوب می­‌شود. لذا در این پژوهش یک روش جدید مبتنی بر فرایندهای ساخت متعارف شامل برش لیزری و شکل‌­دهی برای ساخت فراسازه‌­های پوسته‌­ای استوانه­‌ای از جنس فلز ارائه شد. دو نمونه فراسازه استوانه‌­ای­ با این روش ساخته شد و کیفیت آنها با استفاده از آزمون­‌های مکانیکی و بررسی­‌های غیر مخرب تایید شد. همچنین رفتار نیرویی و کمانشی این فراسازه­‌ها تحت بارگذاری فشاری محوری، با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس شبیه­‌سازی شده و با نتایج تجربی اعتبارسنجی شدند. در ادامه تأثیر پارامترهای مختلف هندسی فراسازه شامل قطر، ارتفاع و ضخامت بر رفتار الاستیک و کمانش خطی آن  شبیه‌­سازی شد و نتایج با تئوری­‌های کلاسیک کمانش پوسته‌­های استوانه­‌ای مورد مقایسه قرار گرفتند. نتایج حاصل نشان داد که فراسازه­‌های پوسته‌­ای استوانه­‌ای را می‌­توان با موفقیت با روش­‌های ساخت متعارف تولید کرد، همچنین مشخص شد که رفتار کمانشی این فراسازه‌­ها از تئوری­‌های کلاسیک کمانش پوسته‌های استوانه‌­ای پیروی نمی‌­کند و تأثیر ضخامت و شعاع انحنای این فراسازه­‌ها بر روی کمانش، بسیار کمتر از پوسته­‌های استوانه‌­ای متعارف است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Developing a New Manufacturing Method and Numerical and Experimental Investigation of Buckling Behaviour of Cylindrical Fish Cell Metastructure

نویسندگان [English]

  • Vahid Zal 1
  • Mohammad Habibi 2
  • Amir Hossein Jafari-Marbini 3
1 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran.
2 MSc, Department of Mechanical Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran.
3 BSc, Department of Mechanical Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran.
چکیده [English]

Fish cell cellular metastructures have received wide interest from researchers due to their zero Poisson ratio behaviour. However, their production, which is mainly based on additive manufacturing processes, is one of their limitations. Therefore, in this research, a new method based on the conventional manufacturing processes including laser cutting and metal forming was presented for the production of metallic cylindrical metastructures. Two samples were manufactured using this method and their quality was verified using mechanical and non-destructive tests. The samples’ mechanical and buckling behaviour under uniaxial compression were simulated using ABAQUS FEM package and experimentally validated. This was followed by the effects of the metastructures’ geometrical parameters including the cylinder diameter, height and thickness on their linear buckling being investigated numerically, and the results compared with the outcome of classic theories for conventional cylinder buckling. The results showed that these metastructures can be produced successfully with the conventional manufacturing processes, and t the buckling behaviour of these metastructures does not follow the classical buckling theories of cylinders; their buckling behaviour shows much lower sensitivity to the thickness and radius changes in comparison with conventional cylinders.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cellular Metastructure
  • Fish Cell
  • Laser Cutting
  • Cylindrical Shell
  • Buckling

مراجع

[1] He, Y. L., Zhang, P. W., You, Z., Li, Z. Q., Wang, Z. H., & Shu, X. F. (2020). Programming mechanical metamaterials using origami tessellations. Composites Science and Technology, 189, 108015. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108015
[2] Hashemi Talkhouncheh, S. A., & Basafa, A. (2021). Design of a Microstrip Bandpass Filter Using Metamaterials. Karafan Quarterly Scientific Journal, 17(4), 271-280. https:// doi.org/10.48301/kssa.2021.128406
[3] Wu, W., Hu, W., Qian, G., Liao, H., Xu, X., & Berto, F. (2019). Mechanical design and multifunctional applications of chiral mechanical metamaterials: A review. Materials & design, 180, 107950. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107950
[4] Olympio, K. R., & Gandhi, F. (2009). Zero Poisson’s Ratio Cellular Honeycombs for Flex Skins Undergoing One-Dimensional Morphing. Journal of intelligent material systems and structures, 21(17), 1737-1753. https://doi.org/10.1177/1045389X09355664
[5] Tancogne-Dejean, T., Spierings, A. B., & Mohr, D. (2016). Additively-manufactured metallic micro-lattice materials for high specific energy absorption under static and dynamic loading. Acta Materialia, 116(2), 14-28. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.05.054
[6] Zolfagharian, A., Bodaghi, M., Hamzehei, R., Parr, L., Fard, M., & Rolfe, B. F. (2022). 3D-Printed Programmable Mechanical Metamaterials for Vibration Isolation and Buckling Control. Sustainability, 14(11), 6831. https://doi.org/10.3390/su14116831
[7] Li, Q., Yang, D., & Mao, X. (2022). Pressure-resistant cylindrical shell structures comprising graded hybrid zero Poisson's ratio metamaterials with designated band gap characteristics. Marine Structures, 84(6), 103221. https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2022.103221
[8] Liu, K., Han, L., Hu, W., Ji, L., Zhu, S., Wan, Z., Yang, X., Wei, Y., Dai, Z., Zhao, Z., Li, Z., Wang, P., & Tao, R. (2020). 4D printed zero Poisson's ratio metamaterial with switching function of mechanical and vibration isolation performance. Materials & Design, 196(13), 109153. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109153
[9] Hamzehei, R., Zolfagharian, A., Dariushi, S., & Bodaghi, M. (2022). 3D-printed bio-inspired zero Poisson’s ratio graded metamaterials with high energy absorption performance. Smart Materials and Structures, 31(3), 035001. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ ac47d6
[10] Naghavi Zadeh, M., Dayyani, I., & Yasaee, M. (2020). Fish Cells, a new zero Poisson’s ratio metamaterial—Part I: Design and experiment. Journal of intelligent material systems and structures, 31(13), 1617-1637. https://doi.org/10.1177/1045389X2093 0079
[11] Zadeh, M. N., Dayyani, I., & Yasaee, M. (2020). Fish Cells, a new zero Poisson’s ratio metamaterial—part II: Elastic properties. Journal of intelligent material systems and structures, 31(19), 2196-2210. https://doi.org/10.1177/1045389X20942576
[12] Qin, Q., Dayyani, I., & Webb, P. (2022). Structural Mechanics of cylindrical fish-cell zero Poisson’s ratio metamaterials. Composite Structures, 289(7), 115455. https://doi.or g/10.1016/j.compstruct.2022.115455
[13] Jha, A., & Dayyani, I. (2021). Shape optimisation and buckling analysis of large strain zero Poisson’s ratio fish-cells metamaterial for morphing structures. Composite Structures, 268, 113995. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113995
[14] Nazir, A., Gokcekaya, O., Md Masum Billah, K., Ertugrul, O., Jiang, J., Sun, J., & Hussain, S. (2023). Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials. Materials & design, 226, 111661. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111661
[15] Dogan, E., Bhusal, A., Cecen, B., & Miri, A. K. (2020). 3D Printing metamaterials towards tissue engineering. Applied materials today, 20, 100752. https://doi.org/10.1016/j.a pmt.2020.100752
[16] Saeidi, N., Amanollahi, A., Ebrahimzadeh, I., & Raeissi, M. (2023). Evaluation of the effect of heat treatment parameters on mechanical properties of architectured steel incorporated low carbon steel and aluminum 6061. Karafan Quarterly Scientific Journal, 20(1), 285-306. https://doi.org/10.48301/kssa.2022.326385.1973
[17] Htun, M. S., Kyaw, S. T., & Lwin, K. T. (2008). Effect of heat treatment on microstructures and mechanical properties of spring steel. Journal of metals, materials and minerals, 18(2), 191-197. https://www.researchgate.net/publication/237784423_Effect_of_H eat_Treatment_on_Microstructures_and_Mechanical_Properties_of_Spring_Steel
[18] Zhu, E., Mandal, P., & Calladine, C. R. (2002). Buckling of thin cylindrical shells: an attempt to resolve a paradox. International Journal of Mechanical Sciences, 44(8), 1583-1601. https://doi.org/10.1016/S0020-7403(02)00065-6
[19] Mandal, P., & Calladine, C. R. (2000). Buckling of thin cylindrical shells under axial compression. International Journal of Solids and Structures, 37(33), 4509-4525. htt ps://doi.org/10.1016/S0020-7683(99)00160-2
فصلنامه علمی کارافن
دوره 20، شماره 3
فنی و مهندسی
آذر 1402
صفحه 13-31

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 18 شهریور 1402
  • تاریخ بازنگری: 07 آذر 1402
  • تاریخ پذیرش: 22 اسفند 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار