Реверсивно собираемые ячеистые композиционные материалы

Реверсивно собираемые ячеистые композиционные материалы ( RCCM ) представляют собой трехмерные решетки модульных конструкций, которые можно частично разбирать для ремонта или других модификаций. Каждая ячейка включает в себя конструкционный материал и реверсивный замок, позволяющий создавать решетки произвольного размера и формы. RCCM отображает трехмерную симметрию, полученную на основе связанной геометрии. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Дискретная конструкция обратимо собранных ячеистых композитов вводит новую степень свободы, которая определяет глобальные функциональные свойства за счет локального размещения гетерогенных компонентов. Поскольку отдельные детали в буквальном смысле являются конечными элементами, иерархическая декомпозиция описывает типы деталей и их комбинацию в структуре. ^{[ 1 ]}

RCCM можно рассматривать как «цифровой» материал, в котором отдельные части связаны с дискретным набором относительных положений и ориентаций. Ассемблер может разместить их, используя только локальную информацию. Ошибки размещения можно обнаружить и исправить путем реверса сборки. Эти материалы сочетают в себе размер и прочность композитов с низкой плотностью ячеистых материалов и удобством аддитивного производства. ^{[ 1 ]}

История

RCCM были представлены в 2013 году исследователями Центра Массачусетского технологического института битов и атомов . ^{[ 2 ]}

Поведение

Эластичность

Решетки RCCM ведут себя как упругое твердое тело как при растяжении , так и при сжатии . Они предлагают как линейный режим, так и режим нелинейного сверхупругого деформирования с модулем на порядок большим, чем у сверхлегкого материала (12,3 мегапаскаля при плотности 7,2 мг на кубический сантиметр). Объемные свойства можно предсказать на основе размеров компонентов и режимов деформации, определяемых размещением типов деталей. Местоположение площадок локально ограничено, создавая структуры, сочетающие в себе желательные характеристики из углеродного волокна композитов , ячеистых материалов и аддитивного производства . ^{[ 1 ]}

Нелинейное упругое поведение возникает из-за многоосной упругой неустойчивости решетки, сложного скоординированного упругого выпучивания элементов стойки. Полученная геометрия аналогична искажению Яна – Теллера октаэдрического комплекса относительно ориентации вокруг октаэдрических центров. Упругое сгибание или складка могут происходить в трех измерениях, вероятно, в результате скоординированной антисимметричной реакции на скручивающее напряжение и/или пластической деформации. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}

Отказ

В отличие от обычных композитов, которые обычно выходят из строя катастрофически, RCCM выходят из строя постепенно из-за фазы нелинейной деформации и множества соединений и звеньев. Эти результаты соответствуют методом конечных элементов. моделированию ^{[ 4 ]} с мелкоячеистыми моделями твердого тела. Помимо сходимости к наблюдаемому скоординированному режиму потери устойчивости, эти моделирования точно предсказывают масштабирование относительной прочности, наблюдаемое в экспериментах по нагрузочным испытаниям. Эти результаты согласуются с наблюдением, что решетчатые материалы с открытыми порами разрушаются из-за разрушения микроструктурных стоек при изгибе с σmax ∝. Моделирование также показывает, что явление скоординированного выпучивания, а также измерения модуля не подвержены доминированию краевых эффектов с минимальным влиянием на общие результаты за пределами характерных длин, превышающих несколько единиц. ^{[ 1 ]}

Изменение расположения более и менее жестких элементов может вызвать чистое осевое сжатие, простой однонаправленный изгиб Эйлера и сложный изгиб. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}

Масштабирование

Ячеистые композиты расширяют возможности решеток с преобладанием растяжения до сверхлегкого режима (ниже десяти миллиграммов на кубический сантиметр). Производительность положительно зависит от жесткости каркаса решетки, связности узлов, гибкости элементов стойки и масштабирования стоимости плотности механических соединений. ^{[ 1 ]}

Из обычных волокнистых композитов изготавливают сердцевины ферм и каркасы конструкций со склеенной сборкой несущих конструкций или непрерывной намоткой волокон. Сообщалось о примерах таких сердечников ферм с непрерывной двумерной (2D) геометрической симметрией и почти идеальным, но сильно анизотропным масштабированием удельного модуля.

Трехмерные решетчатые материалы с открытыми ячейками встречаются в природных и искусственных системах, охватывая многие масштабы длины. Их механические свойства масштабируются в зависимости от относительной плотности в зависимости от геометрии. Они демонстрируют микроструктурное поведение либо с преобладанием растяжения, либо с преобладанием поперечного изгиба балки, основанное на периодических механических моделях. Для модуля Юнга E идеальное масштабирование с преобладанием растяжения с плотностью ρ подчиняется пропорциональному закону E∝ρ, в то время как обычные стохастические пены подчиняются квадратичному закону E∝ρ2, в противном случае связанному с поведением с преобладанием поперечного изгиба балки. При сверхлегких плотностях распространен еще один уменьшенный закон кубического масштабирования E∝ρ3, например, для аэрогелей и аэрогелевых композитов. ^{[ 1 ]}

Зависимость масштабирования от геометрии наблюдается в материалах на основе периодической решетки, которые имеют почти идеальное масштабирование E∝ρ и высокую связанность узлов по сравнению со стохастическим пенопластом. Эти структуры ранее были реализованы только в относительно плотных инженерных материалах. В сверхлегком режиме масштабирование E∝ρ2, наблюдаемое в более плотных стохастических ячеистых материалах, применимо к гальваническим трубчатым никелевым микрорешеткам, а также к стохастическим пенопластам с открытыми порами на основе углерода, включая аэрографит из углеродных микротрубок и графеновую пробку. ^{[ 1 ]}

Дизайн

Если сделать соединения более жесткими и прочными, чем элементы стоек, это означает, что реакция на напряжение определяется стойками. ^{[ 3 ]} Распространение методов масштабирования размеров на соединения показывает, что стоимость массовой плотности прочных соединений, которая масштабируется в зависимости от площади поперечного сечения стойки, невелика для сверхлегких материалов, где диаметр стойки доминирует над масштабированием плотности массы. Относительная плотность (ρ/ρs) этих материалов представляет собой сумму вклада относительной плотности элементов стойки (ρm/ρs) и вклада относительной плотности соединений (ρc/ρs). Элементы стойки имеют толщину t и длину L. Соединения передают усилия через контакты с несущими поверхностями, поэтому характерные размеры соединений соответствуют поперечному сечению прикрепленных элементов стойки t2, поскольку этот размер определяет максимальное напряжение. переносимый через сустав. ^{[ 1 ]}

Эти определения дают соотношение кубического масштабирования между относительным массовым вкладом соединений и отношением толщины стойки к длине (ρc/ρs ∝ Cc(t/L)3, где Cc — константа вклада соединения, определяемая геометрией решетки). . Вклад относительной плотности стоек квадратично зависит от соотношения толщины и длины стоек (ρm/ρs ∝ Cm (t/L)2), что согласуется с литературными данными по классическим ячеистым материалам. Механические свойства (такие как модуль и прочность) масштабируются с общей относительной плотностью, которая, в свою очередь, масштабируется в первую очередь в зависимости от стойки, а не соединения, учитывая только решетки с открытыми ячейками и тонкими стойками [t/L < 0,1 (7)], учитывая, что геометрические константы Cc и Cm имеют один и тот же порядок величины [ρ/ρs ∝ Cc (t/L)3 + Cm (t/L)2]. ^{[ 3 ]} Стоимость плотности механических соединений уменьшается с увеличением гибкости элементов стойки (уменьшением t/L) и уменьшением относительной плотности. ^{[ 1 ]}

Укладка крестообразных частей образует решетчатую структуру. Каждая часть вносит четыре соединенных элемента стойки в один локально центральный узел и одну стойку в четыре периферийных узла. Срезной зажим , вставленный в четыре совпадающих соединительных отверстия, соединяет ячейки. ^{[ 1 ]}

Каждая ячейка включает в себя выровненные волокнистые композитные балки и петлевые несущие отверстия из волокон, которые обратимо соединяются вместе, образуя решетки, заполняющие объем. Ячейки массового производства можно собирать для заполнения произвольных структурных форм с разрешением, заданным масштабом детали, которое соответствует изменчивости граничного напряжения приложения. Периодический характер сборок упрощает анализ и прогнозирование поведения. ^{[ 1 ]}

Кубокт геометрия

Кубическая решетка кубических октаэдров, соединенных вершинами, подобная минеральной структуре перовскита, обеспечивает правильную многогранную элементарную ячейку, которая удовлетворяет критерию жесткости Максвелла и имеет координационное число z, равное восьми. Зависимость относительной плотности от координационного числа мала по сравнению с зависимостью от диаметра стойки. Намотка армирующих волокон вокруг соединительных отверстий оптимизирует их несущую способность, одновременно соединяя их со стойками, которые сами сохраняют одноосную ориентацию волокон. ^{[ 1 ]}

Сравнение с традиционными композитными материалами

армированные углеродным волокном, Композиционные материалы, могут повысить эффективность инженерных систем (например, планеров ) за счет снижения веса конструкции при заданных требованиях к прочности и жесткости, но создают проблемы с производством и сертификацией. В высокопроизводительных композитных компонентах используется множество непрерывных волокон, охватывающих форму компонента и внедренных в матрицу смолы . Для таких деталей обычно требуется специальная оснастка, нагнетание давления для консолидации и термообработка. Соединение таких частей добавляет сложности и структурных уязвимостей. ^{[ 1 ]}

RCCM устраняет необходимость в специальных инструментах, поскольку детали можно добавлять/удалять постепенно. Их создание, модификация, ремонт и повторное использование могут использовать один и тот же процесс обратимого связывания. Гетерогенные элементы могут быть включены в структуры, функции которых определяются их относительным расположением. Точная сборка дискретных ячеистых композитов обеспечивает новые свойства и характеристики, недоступные при использовании аналоговых альтернатив непрерывного нанесения или удаления материала. ^{[ 1 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д Чунг, КК; Гершенфельд, Н. (2013). «Реверсивно собираемые ячеистые композиционные материалы». Наука . 341 (6151): 1219–1221. Бибкод : 2013Sci...341.1219C . CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . дои : 10.1126/science.1240889 . ПМИД 23950496 . S2CID 206550070 .
^ Jump up to: ^а ^б Чунг, КК; Гершенфельд, Н. (17 июля 2013 г.). «Сборка больших конструкций из маленьких сверхлегких деталей» . Наука . 341 (6151): 1219–1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . дои : 10.1126/science.1240889 . ПМИД 23950496 . S2CID 206550070 . Проверено 20 августа 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Чунг, КК; Гершенфельд, Н. (15 августа 2013 г.). «Реверсивно собираемые ячеистые композиционные материалы — дополнительные материалы» . Наука . 341 (6151): 1219–1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . дои : 10.1126/science.1240889 . ПМИД 23950496 . S2CID 206550070 . Проверено 20 августа 2013 г.
^ ANSYS Программное обеспечение

Внешние ссылки

«Как сделать большое из маленьких кусочков» . МТИ Пресс . Проверено 15 августа 2013 г.
«Игрушечные блоки создают легкие и прочные конструкции» . Sciencenews.org . Проверено 16 августа 2013 г.
«Из кубиков, похожих на игрушки-тинкертои, можно строить самолеты и космические корабли» . Gizmag.com . Проверено 23 сентября 2013 г.
«Соединяемые самолеты и мосты» . Научный американец . Проверено 1 декабря 2013 г.

[sci-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д Чунг, КК; Гершенфельд, Н. (2013). «Реверсивно собираемые ячеистые композиционные материалы». Наука . 341 (6151): 1219–1221. Бибкод : 2013Sci...341.1219C . CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . дои : 10.1126/science.1240889 . ПМИД 23950496 . S2CID 206550070 .

[kurz-2] Jump up to: ^а ^б Чунг, КК; Гершенфельд, Н. (17 июля 2013 г.). «Сборка больших конструкций из маленьких сверхлегких деталей» . Наука . 341 (6151): 1219–1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . дои : 10.1126/science.1240889 . ПМИД 23950496 . S2CID 206550070 . Проверено 20 августа 2013 г.

[supp-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Чунг, КК; Гершенфельд, Н. (15 августа 2013 г.). «Реверсивно собираемые ячеистые композиционные материалы — дополнительные материалы» . Наука . 341 (6151): 1219–1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351 . дои : 10.1126/science.1240889 . ПМИД 23950496 . S2CID 206550070 . Проверено 20 августа 2013 г.

[4] ANSYS Программное обеспечение

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]