توصيفگر ها :
فرامواد , فرامواد مكانيكي , ساختارهاي آگزتيك , ضريب انبساط حرارتي منفي
چكيده فارسي :
فرامواد، مواد مهندسي شدهاي هستند كه خواص منحصربه فردي را دارا هستند كه فراواني چنداني در طبيعت ندارند. امروزه، طراحي سازههاي جديد با ويژگيهاي منحصربه فرد نظير ضريب پوآسون منفي، ضريب انبساط حرارتي صفر و منفي و همچنين سفتي منفي، به دليل توانايي آنها در بهبود خواص مكانيكي، توجه بسياري از پژوهشگران و مهندسان را به خود جلب كرده است. اين ويژگيها به سازهها اجازه ميدهند كه در برابر بارگزاريهاي مختلف به شكلي بهينهتر عمل كنند يا عملكردي خلاف تصوري كه از عموم مواد موجود در طبيعت است را از خود نشان دهند و به همين دليل، استفاده از اين نوع سازهها در پروژههاي عمراني و صنعتي روز به روز در حال افزايش است. توسعه اين نوع سازهها ميتواند به بهبود كيفيت زندگي، كاهش هزينههاي نگهداري و بهرهبرداري و افزايش كارايي انرژي منجر شود و به ايجاد زيرساختهاي هوشمند و مقاوم كمك كند كه براي نسلهاي آينده نيز قابل استفاده باشند. در پژوهش حاضر، يك سازه سهبعدي بر اساس خرپاهاي ساده طراحي شده است كه هدف اصلي آن دستيابي به ضريب پوآسون منفي و ضريب انبساط حرارتي منفي با كمترين ايجاد تنش است. اين نوع طراحي نيازمند بررسي دقيق و جامع از پارامترهاي مختلف هندسي و مادي سازه است. براي بررسي دقيق و جامع از پارامترهاي مختلف هندسي و مادي سازه، از روش مدلسازي اجزاي محدود استفاده شد. براي اين كار ابتدا سازه با استفاده از اسكريپت نويسي پايتون به صورت پارامتريك در آباكوس طراحي شده است. براي انجام دقيق اين كار از معادلات رياضي- هندسي و دستورات نرم افزار استفاده شده و سپس مجموعه اين موارد با حداكثر انعطاف پذيري و قابليت ايجاد تغيير در طرح اوليه، به صورت كد پايتون براي اجرا توسط نرم افزار آماده گرديد. بنابراين با هربار اجراي كد و تغيير در پارامترها اثرات آن تغيير بر روي ميزان ضريب انبساط حرارتي و ضريب پوآسون مشاهده ميگردد. سلول واحد اين سازه متشكل از دو صفحه موازي با يكديگر و لينكهاي متصل كننده دو صفحه است. طراحي انجام شده فاصله اين دو صفحه با يكديگر را به عنوان يك پارامتر طراحي در نظر گرفته است. اين دو صفحه از يونيت سل در فواصل 5، 10، 15 و 20 ميليمتري از يكديگر قرار داده شدهاند و طبق شبيهسازيهاي انجام گرفته ضريب پوآسون اين سازه در راستاهاي (y,z) به ترتيب مقادير (1-و 95/0-)، (1-و 52/0-)، (1-و 35/0-) و (1-و 27/0-) براي فاصه صفحات مذكور بدست آمدهاست. بعلاوه اينكه، در شبيهسازيهاي انجام شده در فواصل 5 و 10 ميليمتري اين ماده خاصيت ضريب انبساط حرارتي منفي و نزديك به صفر را در راستاي متعامد بر دو صفحه يونيت سل از خود نشان داد. اين مقدار براي فواصل مذكور به ترتيب /°K10-6×0/113- و /°K10-6×72/1 اندازهگيري شد. از آنجايي كه اندازهگيري ضريب انبساط حرارتي يك سازه نيازمند بستري براي تغييرات دمائي كنترل شده و روش معتبري براي سنجش تغييرات ابعادي پديد آمده در اثر افزايش دما ميباشد، در اين پروژه دستگاهي براي تغييرات گام به گام دمائي طراحي گرديد تا دماي سازه را به صورت هم دما افزايش دهد. افزايش دمايي اين دستگاه به واسطه يك دماسنج الكلي استاندارد مورد صحت سنجي قرار داده شد. همچنين روش اندازهگيري كرنشهاي حرارتي نيز اعتبار سنجي شد. اندازهگيري كرنشهاي حرارتي كه به واسطه تحليل تصوير مدنظر بود، توسط يك نمونه آلومينيومي 6061 مورد بررسي قرار گرفت. بدين صورت كه اين نمونه با ضريب انبساط حرارتي معلوم /°K10-6×6/23 توسط تحليل تصاوير مورد سنجش قرار گرفت تا بررسي گردد كه عدد ضريب انبساط حرارتي استخراج شده از طريق اين روش اندازهگيري چه تفاوتي با اين عدد در حالت اندازهگيريهاي استاندارد دارد. در اين مرحله روش اندازهگيري با تصوير برداري با خطاي درحد 5 درصد مورد قبول واقع شد.
چكيده انگليسي :
Metamaterials are engineered materials with unique properties that are rarely found in
nature. Today, the design of novel structures with exceptional features such as negative
Poisson’s ratio, zero or negative thermal expansion coefficient, and negative stiffness has
garnered significant attention from researchers and engineers due to their ability to enhance
mechanical properties. These features enable structures to perform optimally under various
loads or exhibit behaviors contrary to those of most natural materials. Consequently, the use
of such structures in civil and industrial projects is rapidly increasing. Their development
can improve quality of life, reduce maintenance and operational costs, increase energy
efficiency, and contribute to the creation of smart, resilient infrastructures for future
generations. In this study, a three-dimensional structure based on simple trusses was
designed with the primary goal of achieving a negative Poisson’s ratio and a negative
thermal expansion coefficient while minimizing stress generation. This design required a
comprehensive analysis of various geometric and material parameters using finite element
modeling. The structure was parametrically designed in Abaqus software through Python
scripting, incorporating mathematical-geometrical equations and software commands for
maximum flexibility and adaptability. By running the code and modifying parameters, the
effects on thermal expansion coefficients and Poisson’s ratio were observed. The unit cell of
this structure consists of two parallel planes connected by linking elements. The distance
between these planes was treated as a design parameter, set at intervals of 5, 10, 15, and 20
mm. Simulations revealed that the Poisson’s ratio in the (y,z) directions for these distances
were (-1 and -0.95), (-1 and -0.52), (-1 and -0.35), and (-1 and -0.27), respectively.
Additionally, at plate distances of 5 mm and 10 mm, the material exhibited a near-zero or
negative thermal expansion coefficient perpendicular to the unit cell planes. These values
were measured as −113×10−6/°K and −72×10−6/°K respectively. To measure thermal
expansion coefficients accurately, a controlled thermal variation setup was designed to
uniformly increase the structure's temperature. The temperature increase was validated using
a standard alcohol thermometer, while thermal strain measurements were verified through
image analysis on an aluminum 6061 sample with a known thermal expansion coefficient
(23.6×10−6/°K). The error margin for this image-based measurement method was found to
be within 5%, confirming its reliability.
