Ауксетики. Складывающиеся схемы.

Sergey_engineer
Идет загрузка
Загрузка
20.05.2020
4491
27
Применение

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

36

В предыдущей статье, посвященной ауксетикам, я рассказывал что это такое и приводил несколько схем. В этой статье речь пойдет о схемах ауксетиков, способных складываться в монолитную структуру, то есть в сложенном состоянии структура не имеет сквозных отверстий. Все схемы, описанные ниже, можно разделить на два вида: первый вид сохраняет монолитную структуру только под действием внешней силы; второй – сохраняет монолитную структуру даже после снятия внешний нагрузок.

Самым простым примером первого вида будет схема [1], изображенная на рисунке:

Схема представляет собой набор квадратов, соединенных по углам. Напечатанная одной деталью, эта схема кинематически эквивалентна набору шарнирно соединенных квадратов. В этот раз дополнительно решил проанализировать схемы с помощью метода конечных элементов. Расчеты делал в бесплатной программе Z88Aurora. Результаты показаны на рисунке:

Изображено состояние до деформации и после. Решалась линейная задача, поэтому величины деформации и нагрузки не привожу, в этом нет смысла – они условные. Для меня было интересно получить качественный результат.

Переходим к материализации схемы. Как правило, под 3D-печать схемы приходится дорабатывать. По созданной модели видно, что места соединения квадратов были доработаны для того, чтобы схема нормально складывалась.

В конце статьи есть видео, на нем можно увидеть анимацию деформирования (складывания) этой и других конечно-элементных моделей, а также складывание всех напечатанных на 3D-принтере схем.

Переходим ко второй схеме [2]. Эта схема похожа на первую. Общий вид показан на рисунке (вид d):

Эта иллюстрация приведена прямо из статьи [2] и на ней есть первая схема, но здесь отличаются подходы к созданию таких схем. Идея авторов состоит в том, что они создают ауксетики с помощью простой перфорации листового материала. Обратите внимание, схемы можно получить вырезая сравнительно простые регулярные элементы (в частности ромбы). А можно получить ауксетик вообще просто делая надрезы на листовом материале:

Возвращаемся ко второй схеме:

Результаты конечно-элементного анализа:

Для этой схемы деформации видны уже не так наглядно. При этом напечатанная модель складывается именно так как нужно – зазоров между треугольниками не остается.

А на очереди схемы поинтереснее. Следующая схема [3] показана на рисунке:

При сжатии такой схемы шестиугольники поворачиваются относительно друг друга, прижимая к себе «лепестки». Отмечу, что в статье [3] авторы предлагают такую схему как один из вариантов складывающихся конструкций для корпусов космических аппаратов. Схема интересна тем, что ее можно одинаково хорошо сжимать в любом направлении.

Результат конечно-элементного анализа:

Все выше описанные схемы возвращают свою первоначальную форму после снятия нагрузки. Теперь же рассмотрим несколько схем, которые имеют две устойчивые формы своей структуры. Это так называемые бистабильные схемы.

Для начала рассмотрим сразу две схемы такого вида [4]:

При создании этих схем авторы научной статьи вдохновлялись средневековыми орнаментами:

Орнаменты нанесены на две Башни Харракана (Kharraqan towers) в Иране. Первая башня была построена в 1067 году, а вторая в 1093 году.

Делаем модели, адаптированные для печати:

И результат в двух положениях:

Еще одна схема с двумя равновесными формами [5]:

Ее конечно-элементная модель:

У этой схемы выяснилась одна интересная особенность. Точнее, это свойственно именно тому варианту схемы, который получился у меня. В сложенном состоянии она удерживается сама только тогда, когда сложены все ее элементы. Вот два стабильных положения:

Для данной схемы можно отметить наличие относительно больших зазоров. Я напечатал несколько различных вариантов и получить монолитную структуру мне удалось на них только если дополнительно сжимать сложенную схему.

В завершении видео, на котором можно увидеть как именно складываются все рассмотренные структуры, движение их кинематических схем, а также анимацию деформирования конечно-элементной модели.

На этом пока все.

Источники:

1. Coulais C., Sabbadini A., Vink F., van Hecke M. Multi-step self-guided pathways for shape-changing metamaterials. Nature, –2018 –V.561(7724), –p.512–515.

2. Grima J. N., Gatt R. Perforated Sheets Exhibiting Negative Poisson’s Ratios. Advanced Engineering Materials, –2010 –V.12(6), –p.460–464. 

3. Hanaor A., Levy R. Evaluation of Deployable Structures for Space Enclosures. International Journal of Space Structures, –2001 –V.16(4), –p.211–229. 

4. Rafsanjani A., Pasini D. Bistable auxetic mechanical metamaterials inspired by ancient geometric motifs. Extreme Mechanics Letters, –2016 –V.9, –p.291–296. 

5. Haghpanah B., Salari-Sharif L., Pourrajab P., Hopkins J., Valdevit L. Multistable Shape-Reconfigurable Architected Materials. Advanced Materials, –2016 –V.28(36), –p.7915–7920. 

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

36
Комментарии к статье

Комментарии

20.05.2020 в 14:16
1

Спасибо, очень интересно. Модели где-то выкладывали? Или это ноу-хау?

20.05.2020 в 17:10
4

Спасибо за интерес. Модели не выкладывал, полагая, что мало кто их будет качать. Сегодня тогда добавлю в местный архив.

21.05.2020 в 07:34
0

Это было бы очень замечательно. Ждем.

Кстати, вы не знаете существуют ли трехмерные схемы? Они понятно, должны быть гораздо  сложнее, но интересно было бы посмотреть. Особенно на бистабильные.

21.05.2020 в 09:16
1

Да, есть и трехмерные схемы. Для меня пока проблема их напечатать из-за сложности удаления поддержек. Пока пытался лишь пару раз их напечатать. Если займусь ими плотнее, возможно, что-то опубликую.

21.05.2020 в 09:30
0

Сейчас на ум пришло, что в принципе трехмерными ауксетикам можно считать MOF (Metal Organic Framework). Правда они таковыми являются на молекулярном уровне, т.к. структурными элементам там уже являются атомы.

21.05.2020 в 11:43
1

Не знал о таких штуках, почитал в интернете. Нет, они ауксетиками не являются. Ауксетик - это материал с отрицательным коэффициентом Пуассона, подробнее что это такое я разбирал в первой статье. Предположу, что можно вырастить специальную металл-органическую структуру, являющуюся ауксетиком.

22.05.2020 в 13:36
1

Теоретически - двухсопельный хотенд и PVA-филамент. Практически - дорого(

28.08.2020 в 02:32
0

https://www.youtube.com/watch?v=eIlhcfUvt-o&feature=emb_rel_end Посмотри на 15й минуте

21.05.2020 в 11:31
2

Выложил модели. Вот

21.05.2020 в 12:10
0

Спасибо.

20.05.2020 в 14:33
1

Жаль, что пока это все не практично. Точнее нельзя применить на практике, к примеру в виде заполнения в слайсере. Хотя, возможно, в про версии Kisslicer

20.05.2020 в 14:59
1

Спасибо, весьма и весьма интересно.

Буду размышлять, где бы это применить в нашем "нелегком" деле :)))

20.05.2020 в 17:35
0

А из какого материала эти модели печатать нужно?

20.05.2020 в 18:04
3

Забыл указать. Все модели я печатал из материала FLEX.

27.05.2020 в 13:19
0

Я попробовал PETG, жестковато получается и недолговечно.

Попробую FLEX, спасибо!

21.05.2020 в 00:43
0

В фильтрах с регулируемой тонкостью фильтрации такие структуры нельзя использовать в качестве фильтрующего элемента? Как например вот эти трубы с прорезями: http://defrez.ru/shel_filtr.htm#01

21.05.2020 в 07:27
1

Готовых рабочих фильтров не встречал, но исследователи, которые занимаются изучением ауксетиков указывают фильтры как одну из областей применения.

21.05.2020 в 11:03
0

Скоро наверно у автора кандидатская по теме складывающихся структур будет)

21.05.2020 в 11:35
1

Не угадали)) На будущее зарекаться не буду, но сейчас для меня это просто хобби.

21.05.2020 в 22:32
1

Ну так может стоит попробовать?) Тема на самом деле интересная, может для каких-то космических аппаратов можно будет использовать для их большей компактности.

22.05.2020 в 13:37
0

Кстати да, навскидку - солнечные батареи разворачивать.

21.05.2020 в 18:55
0

Моделировали я так понимаю в SolidWorks судя по цветовой схеме.

Считали в SW Simulation?

21.05.2020 в 19:48
2

Расчеты делал в Z88Aurora - это простенькая бесплатная программа для расчетов методом конечных элементов.

22.05.2020 в 12:46
0

Я смотрю отрисовка СК отличная от солида. Остальные картинки вполне узнаваемы, а тут вопрос.

Про данную программу не знал - спасибо, надо будет посмотреть.

Если вы печатали флексом, то материал в расчете - гиперупругий?

22.05.2020 в 12:54
2

Материал в расчете линейно упругий. Поэтому в тексте я указал, что результаты расчета деформаций носят исключительно качественный характер и никаких значений не приводил. Величины деформаций не соответствуют действительности.

22.05.2020 в 13:12
0

ну они бы и при применении гиперупругого материала были чисто качественными. Если только перед эти не была проведена работа по получению механических свойств напечатанного флекса ;)

Я без претензий. просто уточняю.

Спасибо

29.05.2020 в 15:23
0

Mechanical Properties of Selective Laser Sintering (SLS) Additive Manufactured Chiral Auxetic Cylindrical Stent - 

https://www.researchgate.net/publication/331577001_Mechanical_Properties_of_Selective_Laser_Sintering_SLS_Additive_Manufactured_Chiral_Auxetic_Cylindrical_Stent

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Небольшая модернизация 3D принтера ANYCUBIC I3 MEGA

Обзор 3D принтера QIDI X-MAX

XTLW idex Climber 7 Замена драйверов на тихие TMC2209

Двусторонний обдув модели KP3S и подсветка стола

3D принтер CreatBot PEEK 300. Видео обзор промышленного 3Д принтера для печати PEEK пластиком.

Girls