Nature.com сайтаар зочилсонд баярлалаа. Та хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй хөтчийн хувилбарыг ашиглаж байна. Хамгийн сайн ашиглахын тулд бид танд шинэчилсэн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer-д нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Энэ хооронд байнгын дэмжлэг үзүүлэхийн тулд бид сайтыг загвар, JavaScript-гүй харуулж байна.
Сэндвич хавтангийн бүтэц нь өндөр механик шинж чанартай тул олон салбарт өргөн хэрэглэгддэг. Эдгээр байгууламжийн хоорондын давхарга нь янз бүрийн ачааллын нөхцөлд механик шинж чанарыг хянах, сайжруулахад маш чухал хүчин зүйл болдог. Энэхэр торны байгууламжууд нь уян хатан чанар (жишээ нь: Пуассоны харьцаа ба уян хатан байдлын утгууд) болон уян хатан чанар (жишээ нь, уян хатан чанар) зэргийг хялбаршуулахын тулд хэд хэдэн шалтгааны улмаас ийм сэндвичэн байгууламжид завсрын давхарга болгон ашиглах гайхалтай нэр дэвшигчид юм. Хүч ба жингийн харьцааны шинж чанарууд нь зөвхөн нэгжийн үүрийг бүрдүүлдэг геометрийн элементүүдийг тохируулах замаар хийгддэг. Энд бид аналитик (жишээ нь, зигзаг онол), тооцооллын (жишээ нь, төгсгөлийн элемент) болон туршилтын туршилтуудыг ашиглан 3 давхар хонхор голтой сэндвич хавтангийн гулзайлтын хариу урвалыг судалж байна. Мөн бид хотгор торны бүтцийн янз бүрийн геометрийн параметрүүдийн (жишээ нь, өнцөг, зузаан, нэгж эсийн урт ба өндрийн харьцаа) сэндвичний бүтцийн ерөнхий механик байдалд үзүүлэх нөлөөг шинжилсэн. Бид ердийн сараалжтай харьцуулахад туслах шинж чанартай (жишээ нь сөрөг Пуассоны харьцаа) үндсэн бүтэц нь гулзайлтын өндөр бат бэх, хавтгайгаас гадуур зүсэлтийн хамгийн бага ачаалалтай болохыг олж мэдсэн. Бидний олдворууд сансар огторгуйн болон биоанагаахын хэрэглээнд зориулсан архитектурын үндсэн тор бүхий дэвшилтэт инженерийн олон давхаргат бүтцийг хөгжүүлэх замыг нээж магадгүй юм.
Өндөр хүч чадал, жин багатай тул сэндвич бүтэц нь механик болон спортын тоног төхөөрөмжийн дизайн, далай тэнгис, сансар судлал, биоанагаахын инженерчлэл зэрэг олон салбарт өргөн хэрэглэгддэг. Энэхэр торны бүтэц нь эрчим хүч шингээх чадвар сайтай, жингийн өндөр бат бэх чанараас шалтгаалан ийм нийлмэл байгууламжийн үндсэн давхаргад тооцогдох боломжит нэр дэвшигчдийн нэг юм1,2,3. Өнгөрсөн хугацаанд механик шинж чанарыг улам сайжруулахын тулд хотгор тортой хөнгөн сэндвич бүтцийг зохион бүтээхэд ихээхэн хүчин чармайлт гаргасан. Ийм загварын жишээнд хөлөг онгоцны их бие дэх өндөр даралтын ачаалал, автомашины амортизатор зэрэг орно4,5. Энэхэр торны бүтэц нь маш алдартай, өвөрмөц бөгөөд сэндвич хавтанг барихад тохиромжтой байдаг шалтгаан нь түүний уян механик шинж чанарыг бие даан тохируулах чадвартай (жишээлбэл, уян хатан байдал ба Пуассоны харьцуулалт) юм. Ийм сонирхолтой шинж чанаруудын нэг бол уртааш сунах үед торны бүтцийн хажуугийн тэлэлтийг илэрхийлдэг auxetic зан төлөв (эсвэл сөрөг Пуассоны харьцаа) юм. Энэхүү ер бусын зан үйл нь түүний бүрдүүлэгч элементийн эсийн бичил бүтцийн дизайнтай холбоотой юм7,8,9.
Лэйкс анхдагч хөөс үйлдвэрлэх чиглэлээр судалгаа хийснээс хойш Пуассоны сөрөг харьцаатай сүвэрхэг бүтцийг бий болгоход ихээхэн хүчин чармайлт гаргасан10,11. Энэ зорилгод хүрэхийн тулд хэд хэдэн геометрийг санал болгосон, тухайлбал хираль, хагас хатуу, хатуу эргэдэг нэгжийн эсүүд12, эдгээр нь бүгд туслах шинж чанартай байдаг. Нэмэлт үйлдвэрлэлийн (AM, мөн 3D хэвлэх гэж нэрлэдэг) технологи бий болсон нь эдгээр 2D эсвэл 3D туслах бүтцийг хэрэгжүүлэхэд тус дөхөм болсон13.
Auxetic зан үйл нь өвөрмөц механик шинж чанарыг өгдөг. Жишээлбэл, Lakes and Elms14 нь туслах хөөс нь ердийн хөөстэй харьцуулахад өндөр уналтын бат бэх, нөлөөллийн энерги шингээх чадвар өндөр, хөшүүн чанар багатай болохыг харуулсан. Туслах хөөсөнцөрийн динамик механик шинж чанарын тухайд тэд динамик хугарлын ачаалалд илүү их эсэргүүцэлтэй, цэвэр суналтын үед илүү их суналттай байдаг15. Нэмж дурдахад, нийлмэл материалд auxetic фибрийг арматурын материал болгон ашигласнаар тэдгээрийн механик шинж чанар16, эслэгийн суналтын улмаас үүсэх гэмтлийг эсэргүүцэх чадвар сайжирна17.
Судалгаанаас үзэхэд муруй нийлмэл байгууламжийн гол цөм болгон хотгор туслах байгууламжийг ашиглах нь гулзайлтын хөшүүн чанар, бат бэх зэрэг хавтгайгаас гадуур ажиллах чадварыг сайжруулдаг болохыг харуулж байна18. Давхаргатай загварыг ашигласнаар туслах цөм нь нийлмэл хавтангийн хугарлын бат бөх чанарыг нэмэгдүүлж чаддаг нь ажиглагдсан19. Аусетик утас бүхий нийлмэл материалууд нь ердийн утастай харьцуулахад хагарлын тархалтаас сэргийлдэг20.
Zhang et al.21 буцаж ирсэн эсийн бүтцийн динамик мөргөлдөөний зан үйлийг загварчилсан. Тэд туслах нэгжийн эсийн өнцгийг нэмэгдүүлэх замаар хүчдэл ба эрчим хүчний шингээлтийг сайжруулж, Пуассоны харьцаа илүү сөрөг үр дагавартай сараалжтай болохыг олж мэдэв. Тэд мөн ийм auxetic сэндвич хавтанг өндөр ачаалалтай нөлөөллийн ачааллаас хамгаалах байгууламж болгон ашиглаж болохыг санал болгов. Imbalzano et al.22 мөн түүнчлэн auxetic нийлмэл хуудас нь хуванцар хэв гажилтаар илүү их энергийг (өөрөөр хэлбэл хоёр дахин их) зарцуулж, нэг давхар хуудастай харьцуулахад урвуу талын дээд хурдыг 70% бууруулж чадна гэж мэдээлсэн.
Сүүлийн жилүүдэд auxetic чигжээс бүхий сэндвич бүтцийн тоон болон туршилтын судалгаанд ихээхэн анхаарал хандуулж байна. Эдгээр судалгаанууд нь эдгээр сэндвич бүтцийн механик шинж чанарыг сайжруулах арга замыг онцлон тэмдэглэв. Жишээлбэл, сэндвич хавтангийн цөм нь хангалттай зузаан туслах давхаргыг авч үзвэл хамгийн хатуу давхаргаас илүү үр дүнтэй Young модулийг бий болгож чадна23. Нэмж дурдахад оновчлолын алгоритмын тусламжтайгаар хавтасласан дам нуруу 24 эсвэл туслах гол хоолойн 25 гулзайлтын зан үйлийг сайжруулж болно. Илүү төвөгтэй ачааллын дор өргөтгөх боломжтой үндсэн сэндвич бүтцийг механик турших бусад судалгаанууд байдаг. Тухайлбал, туслах дүүргэгчтэй бетоны нийлмэл материал, тэсэрч дэлбэрэх ачаалалтай сэндвич хавтанг шахах туршилт27, гулзайлтын туршилт28, бага хурдтай цохилтын туршилт29, мөн функциональ ялгаатай туслах дүүргэгч бүхий сэндвич хавтангийн шугаман бус гулзайлтын шинжилгээ30.
Ийм загварчлалын компьютерийн загварчлал, туршилтын үнэлгээ нь ихэвчлэн цаг хугацаа, зардал их шаарддаг тул дурын ачааллын нөхцөлд олон давхаргат туслах үндсэн бүтцийг төлөвлөхөд шаардлагатай мэдээллийг үр дүнтэй, үнэн зөвөөр хангах онолын аргуудыг боловсруулах шаардлагатай байдаг. боломжийн хугацаа. Гэсэн хэдий ч орчин үеийн аналитик аргууд нь хэд хэдэн хязгаарлалттай байдаг. Ялангуяа эдгээр онолууд нь харьцангуй зузаан нийлмэл материалын үйл ажиллагааг урьдчилан таамаглах, уян хатан шинж чанараараа ялгаатай хэд хэдэн материалаас бүрдсэн нийлмэл материалыг шинжлэхэд хангалттай үнэн зөв биш юм.
Эдгээр аналитик загварууд нь ашигласан ачаалал ба хилийн нөхцлөөс хамаардаг тул энд бид туслах үндсэн сэндвич хавтангийн гулзайлтын төлөвт анхаарлаа хандуулах болно. Ийм шинжилгээнд ашигласан нэг давхаргын эквивалент онол нь дунд зэргийн зузаантай сэндвич нийлмэл материал дахь нэгэн төрлийн бус ламинат дахь зүсэлт ба тэнхлэгийн хүчдэлийг зөв таамаглаж чадахгүй. Түүнээс гадна зарим онолд (жишээлбэл, давхаргын онолд) кинематик хувьсагчийн тоо (жишээлбэл, шилжилт хөдөлгөөн, хурд гэх мэт) нь давхаргын тооноос ихээхэн хамаардаг. Энэ нь тодорхой физик тасралтгүй байдлын хязгаарлалтыг хангахын зэрэгцээ давхарга бүрийн хөдөлгөөний талбарыг бие даан тодорхойлж болно гэсэн үг юм. Тиймээс энэ нь загварт олон тооны хувьсагчдыг харгалзан үзэхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь тооцооллын хувьд энэ аргыг үнэтэй болгодог. Эдгээр хязгаарлалтыг даван туулахын тулд бид олон түвшний онолын тодорхой дэд анги болох зигзагийн онол дээр суурилсан аргыг санал болгож байна. Онол нь хавтгай доторх шилжилтийн зигзаг хэв маягийг авч үзвэл ламинатын бүх зузаан дахь зүсэлтийн хүчдэлийн тасралтгүй байдлыг хангадаг. Тиймээс зигзагийн онол нь ламинат дахь давхаргын тооноос үл хамааран ижил тооны кинематик хувьсагчийг өгдөг.
Гулзайлтын ачааллын дор хонхор судалтай сэндвич хавтангийн үйл ажиллагааг урьдчилан таамаглах аргын хүчийг харуулахын тулд бид үр дүнгээ сонгодог онолууд (өөрөөр хэлбэл тооцооллын загвар (жишээ нь хязгаарлагдмал элементүүд)) болон туршилтын өгөгдөлтэй (өөрөөр хэлбэл, гурван цэгийн нугалах) харьцуулсан. 3D хэвлэсэн сэндвич хавтан). Үүний тулд бид эхлээд зигзаг онол дээр үндэслэн нүүлгэн шилжүүлэх хамаарлыг гаргаж, дараа нь Хамилтоны зарчмыг ашиглан үүсгэсэн тэгшитгэлүүдийг олж, Галеркины аргыг ашиглан шийдсэн. Гарсан үр дүн нь тохирох загвар гаргах хүчирхэг хэрэгсэл юм. auxetic чигжээс бүхий сэндвич хавтангийн геометрийн параметрүүд нь сайжруулсан механик шинж чанар бүхий бүтцийг хайх ажлыг хөнгөвчлөх.
Гурван давхаргатай сэндвич хавтанг авч үзье (Зураг 1). Геометрийн дизайны параметрүүд: дээд давхарга \({h}_{t}\), дунд давхарга \({h}_{c}\) ба доод давхарга \({h}_{ b }\) зузаан. Бүтцийн цөм нь нүхтэй торны бүтцээс бүрддэг гэж бид таамаглаж байна. Бүтэц нь эмх цэгцтэй байдлаар бие биенийхээ хажууд байрладаг энгийн эсүүдээс бүрдэнэ. Хонхор бүтцийн геометрийн параметрүүдийг өөрчилснөөр түүний механик шинж чанарыг (өөрөөр хэлбэл Пуассоны харьцаа ба уян хатан байдлын утгыг) өөрчлөх боломжтой. Энгийн эсийн геометрийн параметрүүдийг Зураг дээр үзүүлэв. 1 өнцөг (θ), урт (h), өндөр (L) болон баганын зузаан (t) зэрэг орно.
Зигзагийн онол нь дунд зэргийн зузаантай давхаргын нийлмэл байгууламжийн стресс ба деформацийн төлөв байдлын талаар маш зөв таамаглалыг өгдөг. Зигзагийн онол дахь бүтцийн шилжилт нь хоёр хэсгээс бүрдэнэ. Эхний хэсэг нь сэндвич хавтангийн үйл ажиллагааг бүхэлд нь харуулдаг бол хоёр дахь хэсэг нь зүсэлтийн хүчдэлийн тасралтгүй байдлыг (эсвэл зигзаг функц гэж нэрлэдэг) хангахын тулд давхаргын хоорондох үйл ажиллагааг хардаг. Үүнээс гадна зигзаг элемент нь ламинатын гаднах гадаргуу дээр алга болж, энэ давхаргын дотор биш. Тиймээс зигзаг функц нь давхарга бүр нь нийт хөндлөн огтлолын хэв гажилтанд хувь нэмэр оруулдаг. Энэхүү чухал ялгаа нь зигзаг функцийг бусад зигзаг функцуудтай харьцуулахад илүү бодитой физик хуваарилалтыг хангадаг. Одоогийн өөрчлөгдсөн зигзаг загвар нь завсрын давхаргын дагуух хөндлөн огтлолын хүчдэлийн тасралтгүй байдлыг хангадаггүй. Иймд зигзагийн онол дээр үндэслэсэн шилжилтийн талбайг дараах байдлаар бичиж болно31.
тэгшитгэлд. (1), k=b, c ба t нь доод, дунд, дээд давхаргыг тус тус илэрхийлнэ. Декартын тэнхлэг (x, y, z) дагуух дундаж хавтгайн шилжилтийн талбар нь (u, v, w) бөгөөд (x, y) тэнхлэгийг тойрсон хавтгай дахь гулзайлтын эргэлт нь \({\uptheta} _ байна. {x}\) болон \ ({\uptheta}_{y}\). \({\psi}_{x}\) ба \({\psi}_{y}\) нь зигзаг эргэлтийн орон зайн хэмжигдэхүүн бөгөөд \({\phi}_{x}^{k}\ үлдсэн ( z \right)\) ба \({\phi}_{y}^{k}\left(z\right)\) нь зигзаг функцууд юм.
Зигзагийн далайц нь хавтан дээрх ачааллын бодит хариу үйлдлийн вектор функц юм. Эдгээр нь зигзагийн функцийг зохих масштабаар хангадаг бөгөөд ингэснээр зигзагийн хавтгайд шилжихэд үзүүлэх нийт хувь нэмрийг хянадаг. Хавтангийн зузаан дахь зүсэлт нь хоёр бүрэлдэхүүн хэсгээс бүрдэнэ. Эхний хэсэг нь зүсэлтийн өнцөг, ламинатны зузааныг бүхэлд нь жигд, хоёр дахь хэсэг нь давхарга бүрийн зузааныг бүхэлд нь жигд чиглүүлэх хэсэгчилсэн тогтмол функц юм. Эдгээр хэсэгчилсэн тогтмол функцүүдийн дагуу давхарга бүрийн зигзаг функцийг дараах байдлаар бичиж болно.
тэгшитгэлд. (2), \({c}_{11}^{k}\) ба \({c}_{22}^{k}\) нь давхарга бүрийн уян хатан байдлын тогтмолууд бөгөөд h нь нийт зузаан юм. диск. Нэмж хэлэхэд, \({G}_{x}\) ба \({G}_{y}\) нь жигнэсэн дундаж зүсэлтийн хөшүүн байдлын коэффициент бөгөөд 31-ээр илэрхийлэгдэнэ:
Нэгдүгээр эрэмбийн зүсэлтийн хэв гажилтын онолын зигзаг далайцын хоёр функц (Тэгшитгэл (3)) болон үлдсэн таван кинематик хувьсагч (томьёо (2)) нь энэхүү өөрчлөгдсөн зигзаг хавтангийн онолын хувьсагчтай холбоотой долоон кинематикийн багцыг бүрдүүлдэг. Деформацийн шугаман хамаарлыг авч, зигзагийн онолыг харгалзан үзвэл декартын координатын систем дэх хэв гажилтын талбайг дараах байдлаар гаргаж болно.
Энд \({\varepsilon}_{yy}\) ба \({\varepsilon}_{xx}\) нь хэвийн хэв гажилт бөгөөд \({\gamma}_{yz},{\gamma}_{xz} \ ) ба \({\гамма}_{xy}\) нь зүсэлтийн хэв гажилт юм.
Hooke-ийн хуулийг ашиглан зигзагийн онолыг харгалзан үзэхэд хотгор тор бүтэцтэй ортотроп хавтангийн хүчдэл ба деформацийн хамаарлыг тэгшитгэлээс (1) гаргаж болно. (5)32 энд \({c}_{ij}\) нь хүчдэл-хүчдэлийн матрицын уян хатан тогтмол юм.
Энд \({G}_{ij}^{k}\), \({E}_{ij}^{k}\) болон \({v}_{ij}^{k}\) зүсэгдсэн байна хүч нь янз бүрийн чиглэлд модуль, Янгийн модуль ба Пуассоны харьцаа юм. Эдгээр коэффициентүүд нь изотопын давхаргын хувьд бүх чиглэлд тэнцүү байна. Түүнчлэн 1-р зурагт үзүүлсэн шиг торны буцах цөмүүдийн хувьд эдгээр шинж чанаруудыг 33 гэж дахин бичиж болно.
Хэмилтоны зарчмыг хонхор тортой цөмтэй олон давхаргат хавтангийн хөдөлгөөний тэгшитгэлд хэрэглэх нь дизайны үндсэн тэгшитгэлийг бий болгодог. Хамилтоны зарчмыг дараах байдлаар бичиж болно.
Тэдгээрийн дотроос δ нь вариацын операторыг, U нь деформацийн потенциал энергийг, W нь гадны хүчний хийсэн ажлыг илэрхийлдэг. Тэгшитгэлийг ашиглан нийт боломжит омог энергийг олж авна. (9), энд A нь дундаж хавтгайн муж юм.
Ачааллыг (p) z чиглэлд жигд хэрэглэсэн гэж үзвэл гадны хүчний ажлыг дараах томъёогоор гаргаж болно.
Тэгшитгэлийг солих (4) ба (5) (9) тэгшитгэлийг сольж, тэгшитгэлийг орлуулаарай. (9) ба (10) (8) ба хавтангийн зузаан дээр нэгтгэж, тэгшитгэлийг (8) дараах байдлаар дахин бичиж болно.
\(\phi\) индекс нь зигзаг функцийг илэрхийлдэг, \({N}_{ij}\) ба \({Q}_{iz}\) нь хавтгайд орж, гарах хүч, \({M} _{ij }\) нь гулзайлтын моментийг илэрхийлэх ба тооцооны томъёо нь дараах байдалтай байна.
Тэгшитгэлд хэсгүүдийн интегралчлалыг ашиглах. Томъёо (12)-д орлуулж, вариацын коэффициентийг тооцоолохдоо сэндвич хавтангийн тодорхойлох тэгшитгэлийг (12) томъёогоор авч болно. (13).
Чөлөөт тулгууртай гурван давхар хавтангийн дифференциал хяналтын тэгшитгэлийг Галеркины аргаар шийддэг. Бараг статик нөхцлийн таамаглалд үл мэдэгдэх функцийг тэгшитгэл гэж үзнэ: (14).
\({u}_{m,n}\), \({v}_{m,n}\), \({w}_{m,n}\),\({{\uptheta}_ {\mathrm {x}}}_{\mathrm {m} \text{,n}}\),\({{\uptheta }_{\mathrm {y}}}_{\mathrm {m} \text {,n}}\), \({{\uppsi}_{\mathrm{x}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) болон \({{\uppsi}_{ \mathrm{y}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) нь алдааг багасгах замаар олж болох үл мэдэгдэх тогтмолууд юм. \(\overline{\overline{u}} \left({x{\text{,y}}} \баруун)\), \(\overline{\overline{v}} \left({x{\text) {,y}}} \баруун)\), \(\overline{\overline{w}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline {{{\uptheta}_{x}}}} \left( {x{\text{,y}}} \баруун)\), \(\overline{\overline{{{\uptheta}_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{{\psi_{x}}}} \left( {x{\text{, y}}} \right)\) болон \(\overline{\overline{{ \psi_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\) нь туршилтын функцууд, шаардлагатай хамгийн бага хилийн нөхцлийг хангасан байх ёстой. Зөвхөн дэмжигдсэн хилийн нөхцлийн хувьд туршилтын функцийг дараах байдлаар дахин тооцоолж болно.
Тэгшитгэлийг орлуулснаар алгебрийн тэгшитгэлүүд гардаг. (14)-ийг удирдах тэгшитгэлд оруулах нь (14) тэгшитгэлд үл мэдэгдэх коэффициентийг авахад хүргэж болно. (14).
Бид төгсгөлөг элементийн загварчлалыг (FEM) ашигладаг бөгөөд гол нь хотгор тортой, чөлөөтэй тулгуурласан сэндвич хавтанг нугалахад компьютерт дуурайлган хийдэг. Шинжилгээг арилжааны төгсгөлтэй элементийн кодоор хийсэн (жишээлбэл, Abaqus хувилбар 6.12.1). Дээд ба доод давхаргыг загварчлахад хялбаршуулсан интеграл бүхий 3 хэмжээст зургаан өнцөгт цул элементүүдийг (C3D8R), завсрын (хотгор) торны бүтцийг загварчлахад шугаман тетраэдр элементүүдийг (C3D4) ашигласан. Бид торны нэгдмэл байдлыг шалгахын тулд торны мэдрэмжийн шинжилгээг хийж, шилжилтийн үр дүн нь гурван давхаргын хамгийн бага шинж чанарт нийлдэг гэж дүгнэсэн. Сэндвич хавтанг синусоидын ачааллын функцийг ашиглан ачаалж, дөрвөн ирмэг дээр чөлөөтэй дэмжигдсэн хилийн нөхцлийг харгалзан үздэг. Шугаман уян механик шинж чанарыг бүх давхаргад хуваарилагдсан материалын загвар гэж үздэг. Давхаргын хооронд тодорхой холбоо байхгүй, тэдгээр нь хоорондоо холбоотой байдаг.
Бид ижил төстэй гулзайлтын нөхцөл (z чиглэлийн дагуу жигд ачаалал p) болон хилийн нөхцлүүдийг (жишээ нь: дөнгөж дэмжигдсэн) ашиглахын тулд өөрийн загвар (өөрөөр хэлбэл гурвалсан хэвлэсэн auxetic core сэндвич хавтан) болон тохирох туршилтын тохиргоог бүтээхдээ 3D хэвлэх арга техникийг ашигласан. бидний аналитик аргад тооцсон (Зураг 1).
3D хэвлэгч дээр хэвлэсэн сэндвич хавтан нь хоёр арьс (дээд ба доод) ба хотгор торны гол хэсгээс бүрдэх ба хэмжээсийг 1-р хүснэгтэд үзүүлсэн бөгөөд Ultimaker 3 3D принтер (Итали) дээр буулгах аргыг ашиглан үйлдвэрлэсэн. FDM). технологи нь түүний үйл явцад ашиглагддаг. Бид үндсэн хавтан болон гол туслах торны бүтцийг хамтад нь 3D хэвлэж, дээд давхаргыг тусад нь хэвлэсэн. Энэ нь дизайныг бүхэлд нь нэг дор хэвлэх шаардлагатай бол дэмжлэгийг арилгах явцад аливаа хүндрэлээс зайлсхийхэд тусална. 3D хэвлэсний дараа хоёр салангид хэсгийг супер цавуу ашиглан наасан байна. Бид эдгээр бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг полилактийн хүчил (PLA) ашиглан хамгийн их дүүргэлтийн нягтралтай (өөрөөр хэлбэл 100%) хэвлэсэн.
Захиалгат хавчих систем нь манай аналитик загварт батлагдсан ижил энгийн дэмжлэгийн хилийн нөхцлүүдийг дуурайдаг. Энэ нь атгах систем нь хавтангийн ирмэгийн дагуу x ба y чиглэлд шилжихээс сэргийлж, эдгээр ирмэгийг x ба y тэнхлэгийн эргэн тойронд чөлөөтэй эргүүлэх боломжийг олгодог гэсэн үг юм. Энэ нь атгах системийн дөрвөн ирмэг дээр r = h/2 радиустай филег авч үзэх замаар хийгддэг (Зураг 2). Энэхүү хавчаарын систем нь ашигласан ачааллыг туршилтын машинаас самбар руу бүрэн шилжүүлж, самбарын төв шугамтай нийцүүлэхийг баталгаажуулдаг (зураг 2). Бид атгах системийг хэвлэхдээ олон тийрэлтэт 3D хэвлэх технологи (ObjetJ735 Connex3, Stratasys® Ltd., АНУ) болон хатуу арилжааны давирхайг (Vero цуврал гэх мэт) ашигласан.
3D хэвлэсэн захиалгат атгах системийн бүдүүвч диаграм ба түүнийг туслах цөмтэй 3D хэвлэсэн сэндвич хавтангаар угсрах.
Бид механик туршилтын мөргөцөг (Lloyd LR, даацын элемент = 100 Н) ашиглан хөдөлгөөний удирдлагатай бараг статик шахалтын туршилтыг хийж, 20 Гц-ийн дээж авах хурдаар машины хүч ба шилжилтийг цуглуулдаг.
Энэ хэсэгт санал болгож буй сэндвичний бүтцийн тоон судалгааг үзүүлэв. Бид дээд ба доод давхаргууд нь нүүрстөрөгчийн эпокси давирхайгаар хийгдсэн, хотгор голын торны бүтэц нь полимерээр хийгдсэн гэж бид үзэж байна. Энэхүү судалгаанд ашигласан материалын механик шинж чанарыг Хүснэгт 2-т үзүүлэв.Үүнээс гадна шилжилтийн үр дүн болон хүчдэлийн талбайн хэмжээсгүй харьцааг 3-р хүснэгтэд үзүүлэв.
Нэг жигд ачаалалтай чөлөөтэй тулгууртай хавтангийн хамгийн их босоо хэмжээсгүй шилжилтийг янз бүрийн аргаар олж авсан үр дүнтэй харьцуулсан (Хүснэгт 4). Санал болгож буй онол, хязгаарлагдмал элементийн арга, туршилтын баталгаажуулалтын хооронд сайн тохирч байна.
Бид өөрчлөгдсөн зигзагийн онолын (RZT) босоо шилжилтийг 3D уян хатан байдлын онол (Пагано), нэгдүгээр эрэмбийн зүсэлтийн деформацийн онол (FSDT) болон FEM үр дүнтэй харьцуулсан (Зураг 3-ыг үз). Зузаан олон давхаргат хавтангийн нүүлгэн шилжүүлэлтийн диаграм дээр суурилсан эхний эрэмбийн зүсэлтийн онол нь уян харимхай уусмалаас хамгийн их ялгаатай. Гэсэн хэдий ч өөрчлөгдсөн зигзаг онол нь маш зөв үр дүнг урьдчилан таамаглаж байна. Нэмж дурдахад бид янз бүрийн онолуудын хавтгайн гаднах шилжилтийн стресс ба хавтгайн хэвийн стрессийг харьцуулсан бөгөөд тэдгээрийн дунд зигзаг онол нь FSDT-ээс илүү нарийвчлалтай үр дүнг олж авсан (Зураг 4).
y = b/2-д янз бүрийн онолуудыг ашиглан тооцоолсон нормчлогдсон босоо тэнхлэгийн харьцуулалт.
Янз бүрийн онолоор тооцоолсон сэндвич хавтангийн зузаан дахь зүсэлтийн хүчдэл (a) ба хэвийн хүчдэлийн (б) өөрчлөлт.
Дараа нь бид сэндвич хавтангийн ерөнхий механик шинж чанарт хонхор цөмтэй нэгж эсийн геометрийн параметрүүдийн нөлөөнд дүн шинжилгээ хийсэн. Нэгж эсийн өнцөг нь дахин орох торны бүтцийг төлөвлөхөд хамгийн чухал геометрийн параметр юм34,35,36. Тиймээс бид хавтангийн нийт хазайлтад нэгж эсийн өнцөг, түүнчлэн голын гаднах зузааны нөлөөллийг тооцоолсон (Зураг 5). Завсрын давхаргын зузаан нэмэгдэхийн хэрээр хамгийн их хэмжээсгүй хазайлт буурдаг. Харьцангуй гулзайлтын бат бэх нь зузаан гол давхаргууд болон \(\frac{{h}_{c}}{h}=1\) үед (өөрөөр хэлбэл нэг хонхор давхаргатай үед) нэмэгддэг. Auxetic нэгж үүртэй сэндвич хавтангууд (өөрөөр хэлбэл \(\theta =70^\circ\)) хамгийн бага шилжилттэй байдаг (Зураг 5). Энэ нь туслах голын гулзайлтын бат бэх нь ердийн туслах голынхоос өндөр боловч үр ашиг багатай, эерэг Пуассон харьцаатай байгааг харуулж байна.
Янз бүрийн нэгж эсийн өнцөг ба хавтгайгаас гадуур зузаантай хотгор торны бариулын хамгийн их хазайлтыг хэвийн болгосон.
Сэндвич хавтангийн хамгийн их шилжилт хөдөлгөөнд туслах торны голын зузаан ба харьцааны харьцаа (өөрөөр хэлбэл \(\тета=70^\цир\)) нөлөөлдөг (Зураг 6). Эндээс харахад хавтангийн хамгийн их хазайлт нь h/l нэмэгдэх тусам нэмэгддэг. Үүнээс гадна, туслах голын зузааныг нэмэгдүүлэх нь хонхор бүтцийн сүвэрхэг чанарыг бууруулж, улмаар бүтцийн гулзайлтын бат бөх чанарыг нэмэгдүүлдэг.
Янз бүрийн зузаан, урттай туслах цөм бүхий торны байгууламжаас үүссэн сэндвич хавтангийн хамгийн их хазайлт.
Стрессийн талбайн судалгаа нь олон давхаргат бүтцийн эвдрэлийн горимыг (жишээ нь, давхаргыг задлах) судлахын тулд нэгж эсийн геометрийн параметрүүдийг өөрчлөх замаар судлах боломжтой сонирхолтой талбар юм. Пуассоны харьцаа нь хавтгайгаас гадуурх шилжилтийн хүчдэлийн талбарт ердийн стрессээс илүү их нөлөө үзүүлдэг (7-р зургийг үз). Үүнээс гадна, эдгээр торны материалын ортотроп шинж чанараас шалтгаалан энэ нөлөө нь янз бүрийн чиглэлд жигд бус байдаг. Бусад геометрийн үзүүлэлтүүд, тухайлбал, хонхор байгууламжийн зузаан, өндөр, урт нь хүчдэлийн талбарт бага нөлөө үзүүлсэн тул энэ судалгаанд дүн шинжилгээ хийгээгүй болно.
Янз бүрийн хонхор өнцөг бүхий тор дүүргэгч бүхий сэндвич хавтангийн өөр өөр давхарга дахь зүсэлтийн хүчдэлийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн өөрчлөлт.
Энд хонхор тортой цөмтэй, чөлөөтэй тулгууртай олон давхаргат хавтангийн гулзайлтын хүчийг зигзагийн онол ашиглан судалж байна. Санал болгож буй томъёоллыг гурван хэмжээст уян хатан байдлын онол, эхний эрэмбийн зүсэлтийн деформацийн онол, FEM зэрэг бусад сонгодог онолуудтай харьцуулсан болно. Мөн бид өөрсдийн үр дүнг 3D хэвлэсэн сэндвич бүтэц дээр хийсэн туршилтын үр дүнтэй харьцуулах замаар аргаа баталгаажуулдаг. Бидний үр дүнгээс харахад зигзаг онол нь гулзайлтын ачааллын дор дунд зэргийн зузаантай сэндвич бүтцийн хэв гажилтыг урьдчилан таамаглах чадвартай болохыг харуулж байна. Түүнчлэн, сэндвич хавтангийн гулзайлтын шинж чанарт хонхор торны бүтцийн геометрийн үзүүлэлтүүдийн нөлөөллийг шинжилсэн. Үр дүнгээс харахад auxetic-ийн түвшин нэмэгдэх тусам (өөрөөр хэлбэл θ <90) гулзайлтын хүч нэмэгддэг. Үүнээс гадна, хэсгийн харьцааг нэмэгдүүлж, голын зузааныг багасгах нь сэндвич хавтангийн гулзайлтын бат бөх чанарыг бууруулдаг. Эцэст нь, Пуассоны харьцаа нь хавтгайгаас гадуурх шилжилтийн стресст үзүүлэх нөлөөг судалж, хавтасласан хавтангийн зузаанаас үүссэн зүсэлтийн хүчдэлд Пуассоны харьцаа хамгийн их нөлөө үзүүлдэг нь батлагдсан. Санал болгож буй томьёо, дүгнэлтүүд нь сансар огторгуйн болон биоанагаах ухааны технологийн даацын байгууламжийг төлөвлөхөд шаардагдах илүү төвөгтэй ачааллын нөхцөлд хотгор торны дүүргэгч бүхий олон давхаргат бүтцийг зохион бүтээх, оновчтой болгох замыг нээж чадна.
Одоогийн судалгаанд ашигласан ба/эсвэл дүн шинжилгээ хийсэн мэдээллийн багцыг зохих хүсэлтийн дагуу холбогдох зохиогчоос авах боломжтой.
Актай Л., Жонсон А.Ф., Креплин Б.Х. Зөгийн үүрний цөмийг устгах шинж чанарын тоон загварчлал. инженер. фрактал. үслэг. 75(9), 2616–2630 (2008).
Gibson LJ ба Ashby MF сүвэрхэг хатуу бодис: бүтэц ба шинж чанар (Кэмбрижийн их сургуулийн хэвлэл, 1999).
Шуудангийн цаг: 2023 оны 8-р сарын 12-ны хооронд