عملکرد خمشی ساختار پرتو چند سلولی AuxOcta

امروزه، انواع ساختارهای لوله نازک (TWT) در بسیاری از کاربردهای مهندسی مانند هوافضا، فضا، خودرو، کشتی سازی و ساخت و ساز به ویژه به دلیل توانایی آنها در مقاومت در برابر ضربه های استاتیکی و دینامیکی در مواردی که استحکام به وزن بالا دارند، توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند. نسبت و قابلیت تصادف مطلوب هستند [1]، [2]، [3]. TWT ها با پیکربندی های مربعی، دایره ای و چند ضلعی قبلاً به عنوان جاذب انرژی مناسب فرض می شدند. با توجه به الزامات طراحی سبک وزن و خواص مکانیکی بالا، اشکال مختلفی از TWT ها معرفی شده است، به ویژه لوله هایی با سطح مقطع پیچیده [4]، [5]، [6]، الیافی [7]، [8]. ]، [9]، فوم پر شده [10]، [11]، [12] و ضخامت متغیر [13]، [14]، [15]. یانگ و همکاران [16] بیان کرد که هدف این طرح‌های TWT کاهش وزن تا حد امکان بدون کاهش عملکرد مکانیکی است. مطالعه مقایسه ای نمودارهای بار-جابجایی لوله های چند سلولی نشان می دهد که تعداد سلول ها جذب انرژی را افزایش می دهد. از آنجایی که با افزایش تعداد سلول‌ها جرم افزایش می‌یابد، نمی‌توان نتیجه گرفت که لوله‌هایی با سلول‌های بیشتر اثر سبک‌وزنی بهتری دارند.

مشخص است که فروپاشی خمشی مربوط به کمانش موضعی مکانیسم غالب فروپاشی سازه برای سازه‌های TWT است. کمانش موضعی نقش کلیدی ایفا می کند زیرا مستقیماً بر عملکرد باربری و جذب انرژی سازه های TWT تأثیر می گذارد [17]، [18]. قابل توجه است که مطالعاتی برای به تاخیر انداختن مکانیسم آسیب کمانش و همچنین افزایش قابلیت حمل بار با تقویت هر دو داخل [19]، [20] و/یا خارج [21]، [22] با مواد مختلف انجام شده است. با این حال، از آنجایی که مواد اضافی باعث افزایش وزن نیز می شود، بهبود محدودی در ظرفیت حمل بار خاص (بار/وزن) حاصل می شود. بنابراین، عملکرد مکانیکی TWT ها را می توان بدون افزایش وزن با هدایت تغییر شکل مقطع تحت بار خمشی افزایش داد.

مصالح طراحی معقول مهندسی شده با ساختارهای معمارانه رفتارهای مکانیکی جدیدی دارند که دستیابی به آنها با مواد معمولی دشوار است [23]، [24]، [25]، [26]. ساختارهای سلولی اکستیک در دهه‌های گذشته به دلیل توسعه فناوری‌های ساخت افزودنی که امکان ساخت مواد پیچیده با معماری‌های مصنوعی را فراهم می‌کند ظاهر شده‌اند [27]، [28]، [29]، [30]، [31]. به عنوان یک پیشرفت هیجان انگیز، فرامواد آکستیک راه را برای تولید ساختارهایی که رفتارهای مکانیکی متمایز یا عالی را نشان می دهند که می توانند ساختارهای پیشرفته با عملکردهای منحصر به فرد تولید کنند هموار می کنند [32، [33]، [34]، [77]. این خواص مکانیکی برجسته شامل خواص فوق العاده سبک [35]، [36]، نسبت پواسون منفی [37]، [38]، [39]، جاذب عالی انرژی [40]، و توانایی هدایت تغییر شکل بسته به جابجایی [41]. هنگامی که به طور مناسب و مصنوعی طراحی شوند، سازه های کمکی می توانند رفتار مکانیکی را فعال کنند، [42] که در سازه های سنتی قابل مشاهده نیست. بنابراین، ساختارهای سلولی لانه زنبوری آکستیک با نسبت سم منفی (NPR) دارای پتانسیل زیادی برای هوافضا [43]، نظامی [44]، حمل و نقل [45]، معماری [46] و سایر زمینه‌های مهندسی [47]، [48]، 49] در مقایسه با سازه های معمولی.

مواد اکستیک با خواص مکانیکی منحصر به فرد برای اولین بار توسط دریاچه ها معرفی شدند [50]. پرال و لیکرز [51] و پراوتو [52] محاسبه کردند که اساس رفتار اکستیک در نگرش مکانیکی تک سلولی است که از خاصیت NPR حاصل می شود. در همین حال، عناصر پیوندی که ارتباط بین سلول‌های واحد را فراهم می‌کنند، رفتار آکستیک منفرد را به کل ساختار منتقل می‌کنند. رفتار مکانیکی سلول‌های اکستیک جدید پیشنهادی بسته به تغییر شکل تک سلولی مورد بررسی قرار گرفت. سپس، رفتار مکانیکی کلی ساختار را می توان با ترکیب رویکرد فردی سلول اکستیک آشکار کرد. این رفتار غیرمعمول، که منجر به نسبت پواسون منفی جهانی می شود، عملکرد مکانیکی را به طور قابل توجهی متفاوت از مواد معمولی تعریف می کند. مانند مقاومت خمشی بالاتر و بهبود مقاومت در برابر کمانش در طول خمش خالص [47]، [53]، [54]. با توجه به این ویژگی‌ها، این معماری‌ها کاندیدای احتمالی برای طیف وسیعی از سازه‌های تیر هستند که در آن تغییر شکل‌های بزرگ باید اجازه داده شود و در عین حال از فروپاشی سازه جلوگیری شود.

کارهای عددی و تجربی متعددی برای درک مکانیسم خمش سه نقطه ای تیرهای ساندویچی آکستیک انجام شده است [55]، [56]، [57]، [58]. دروغ و همکاران [59] بیان کرد که سازه های پانل ساندویچ با هسته اکستیک یک توزیع تنش و تغییر شکل همگن در طول خمش نشان می دهند. ایمبالزانو و همکاران [60] مطالعه کردند که حتی اگر ساختار auxetic تحت فشار در صفحه تحت تغییر شکل زیاد قرار گیرد، تنش معادل در ساختار به دلیل برهمکنش سلول‌های auxetic با یکدیگر کم می‌ماند. این خواص مکانیکی منحصربه‌فرد در نتیجه برهمکنش سلول‌های اکستیک با یکدیگر به دست می‌آیند که حمل بار برتر [61]، قابلیت جذب انرژی [62] و مقاومت در برابر ضربه موثر [63] در سازه را فراهم می‌کنند. بنابراین، هو و همکاران. [64] و Türkoğlu و همکاران. [65] بیان کرد که ساختارهای اکستیک مقاومت بالاتری نسبت به لانه زنبوری سنتی برای سناریوهای خمشی ارائه می دهند. با این حال، دوتو و همکاران. [66] تیرهای اکستیک طراحی شده در جهت محوری در مقایسه با تیرهای مشبک و جامد تحت بار یکسان دچار انحراف زیادی می شوند.

در مقابل، لی و وانگ [67] دریافتند که تیرهای جامد و خرپا، سازه‌های تیر لانه زنبوری معمولی به دلیل تمرکز تنش موضعی، زودتر فروپاشی فاجعه‌بار را نشان می‌دهند. برخی از هندسه سلولی منحصر به فرد با رویکردهای طراحی جدید را می توان برای بهبود عملکرد مکانیکی پرتو auxetic ارائه کرد [68]، [69]. جین و همکاران [70] بیان کردند که در ساختارهای اکستیک، با افزایش تغییر شکل، چگالی نسبی ناحیه ای که نیرو در آن اعمال می شود، با جهت گیری سلول های اکستیک به این ناحیه افزایش می یابد. بنابراین، حداکثر نرخ رشد تنش موضعی روی سازه کاهش می‌یابد. علاوه بر این، در سازه های تیر تحت نیروی خمشی سه نقطه ای، کمانش در دیوار بالایی و نزدیک دیوار بالایی که نیرو در آن اعمال می شود رخ می دهد و در نتیجه کمانش، تجمع تنش رخ می دهد و قطعه از این ناحیه تجمع تنش آسیب می بیند. با توسعه هندسه مقطع تیر با نسبت پواسون منفی، می توان از تغییر شکل موضعی در مقطع جلوگیری کرد و عملکرد مکانیکی سازه TWT را بهبود بخشید.

پیکربندی سلولی جدید AuxOcta نام دارد که می تواند با تعریف دیواره سلولی که دو سلول مختلف را با دیواره سلولی مشترک متصل می کند، بین نسبت پواسون مثبت و منفی جابجا شود. تا آنجا که ما می دانیم، مطالعات تجربی و عددی در مورد مقاومت خمشی سه نقطه ای سازه های تیر تحت حمایت AuxOcta و Aux هنوز انجام نشده است. در این تحقیق یک طرح منحصر به فرد برای سازه های هیبریدی پیشنهاد شده است. پیکربندی‌های مختلف ساختار هیبریدی با روش DMLS برای تأیید کاربرد و دقت مدل‌های تحلیلی پیشنهادی ساخته می‌شوند. علاوه بر این، آزمایش‌های خمشی سه نقطه‌ای شبه استاتیک و تحلیل FEM برای بررسی رفتار مکانیکی و الگوهای تغییر شکل پیکربندی‌های مختلف ساختارهای هیبریدی انجام می‌شود.