توصيفگر ها :
نسبت پواسون منفي , مواد آگزتيك , جذب انرژِي , ساخت افزودني , شبيه سازي عددي
چكيده فارسي :
تصادفات ترافيكي از عوامل بسيار مهم مرگ و مير و صدمات شديد جاني و مالي بوده و آثار سنگين اجتماعي، فرهنگي و اقتصادي آن جوامع بشري را به شدت مورد تهديد قرار داده است. ساليانه حدود يك ميليون و سيصد هزار نفر جان خود را در سوانح جاده¬اي از دست مي¬دهند. در سوانح و تصادفات اعم از جاده¬اي، ريلي و هوايي، چهار عامل انسان، وسيله¬ي نقليه، جاده و شرايط محيطي نقش مهمي را ايفا مي¬نمايند .ايمن سازي خودروها و جاده¬ها مي¬تواند تاثير به سزايي در كاهش تلفات و خسارات ناشي از تصادف داشته باشد. مواد آگزتيك، دسته¬اي از فراماده¬ها هستند كه نسبت پواسون منفي دارند. هنگامي كه اين مواد تحت كشش قرار مي-گيرند، در راستاي عمود بر راستاي اعمال نيرو، ضخيم¬تر مي¬شوند. هم¬چنين، هنگامي كه مواد آگزتيك تحت فشار قرار مي¬گيرند، در راستاي عمود بر راستاي اعمال فشار، منقبض مي¬شوند. از مهم¬ترين برتري¬هاي اين مواد نسبت به مواد معمولي مي¬توان به مقاومت بيش¬تر در برابر فرورفتگي، ميزان جذب انرژي بالاتر و مقاومت بيش¬تر در برابر شكست اشاره كرد. اين ويژگي¬ها سبب شده پژوهش-گران مواد آگزتيك را در علوم مختلف به كار گيرند. با توجه به پتانسيل جذب انرژي بالا در مواد آگزتيك، مي¬توان گفت مهم¬ترين كاربرد اين مواد ميرا ساختن انرژي نامطلوب در اثر برخورد است. از اين رو، استفاده مي¬توان از اين مواد در توليد سازه¬هاي جاذب انرژي ناشي از برخورد و يا نيروهاي شديد ناگهاني استفاده نمود. مواد آگزتيك به چند دسته¬ي كلي اعم از مواد آگزتيك طبيعي، فوم¬هاي آگزتيك، نخ و منسوجات آگزتيك و ساختارهاي آگزتيك تقسيم مي¬شوند كه گسترده¬ترين و متنوع¬ترين دسته، ساختارهاي آگزتيك مي¬باشند. به همين سبب، براي انجام اين پژوهش دو ساختار آگزتيك درون رو و مثلثي انتخاب شدند. هم¬چنين ساختار غير آگزتيك لانه زنبوري جهت بررسي تاثير نسبت پواسون منفي در شاخص¬هاي مد نظر انتخاب شد.
براي توليد ساختارها از ماده¬ي پلي¬ لاكتيك اسيد استفاده شد كه نوعي پلي استر گرما نرم تجزيه پذير مي¬باشد كه از منابع تجديد پذير مانند نشاسته¬ي ذرت و نيشكر به دست مي¬آيد. اين ساختارها به روش ساخت افزودني توليد شدند. ساخت افزودني، يك روند توليد خودكار بر اساس لايه گذاري است كه براي توليد اجسام سه بعدي با استفاده از داده¬هاي طراحي به كمك رايانه به كار مي¬رود. از متداول¬ترين شيوه¬هاي ساخت افزودني، چاپ سه بعدي به روش لايه گذاري پليمر ذوب شده است. اين روش مبتني بر ذوب كردن ماده¬ي اوليه، تغيير شكل آن و چاپ ساختار مد نظر از طريق قرارگيري لايه¬هاي متوالي است. براي سنجش ميزان جذب انرژي ساختارها از آزمون بارگذاري شبه استاتيك استفاده شد. جهت محاسبه¬ي دقيق نسبت پواسون ساختارها، حين آزمون شبه استاتيك از نمونه¬ها تصوير برداري انجام شد. سپس اين آزمون در نرم افزار شبيه سازي عددي مدل شد و نتايج تحليل اجزا محدود با نتايج آزمون عملي به منظور اعتبار سنجي نتايج، مقايسه شد. در مرحله¬ي بعدي از اين پژوهش، آزمون بارگذاري ضربه¬اي با نرخ كرنش بالا در اين نرم افزار شبيه سازي شد. مطابق نتايج اين پژوهش، در ساختار لانه زنبوري مقاومت ساختار پس از تسليم كاهش يافت. در صورتي كه در ساختارهاي آگزتيك نيروي نهايي نسبت به نيروي تسليم بيش¬تر بود. ميزان نيروي نهايي در ساختارهاي درون رو و مثلثي نسبت به ساختار لانه زنبوري به ترتيب 125 و 164 درصد افزايش يافته بود. ميزان جذب انرژِي نيز در ساختارهاي درون رو و مثلثي نسبت به ساختار لانه زنبوري به ترتيب 4/47 و 8/176 درصد افزايش يافته بود. ميزان جذب انرژي مخصوص در دو ساختار آگزتيك ذكر شده نسبت به ساختار غير آگزتيك به ترتيب 9/20 و 5/53 درصد بهبود پيدا كرد. ميزان نسبت پواسون در ساختارهاي درون رو، مثلثي و لانه زنبوري به ترتيب 40/2-، 88/0- و 48/1 بود. اطلاعات به دست آمده از نتايج تحليل اجزا محدود، كم¬تر از 10 درصد خطا و در نتيجه، مطابقت خوبي با نتايج آزمون تجربي دارد. هم¬چنين بررسي ميزان كاهش شتاب پرتابه در آزمون بارگذاري ضربه¬اي نشان از برتري ساختارهاي آگزتيك، به خصوص ساختار مثلثي، نسبت به ساختار معمولي داشت.
چكيده انگليسي :
Traffic accidents are one of the most important causes of death, casualties, and financial losses. About 1.3 million people die in road accidents every year. Car and road safety can have a significant impact on reducing casualties and damages caused by accidents. Auxetic materials are a group of metamaterials that have a negative Poissonʹs ratio. When these materials are stretched, they become thicker in the direction perpendicular to the force applied. Also, when auxetic materials are pressed, they contract in a direction perpendicular to the applied pressure. The most important advantages of these materials over conventional materials are higher indentation resistance, higher energy absorption, and greater resistance to failure. These properties have led researchers to use auxetic materials in various fields of science. Given the high energy absorption potential of auxetic materials, it can be said that the most important application of these materials is to dampen the undesirable energy due to impact. Therefore, these materials can be used in the production of energy absorber structures. Auxetic materials are divided into several general categories, including natural auxetic materials, auxetic foams, auxetic yarns and textiles, and auxetic structures. Auxetic structures are the most extensive and diverse group of auxetic materials. Therefore, two auxetic structures named re-entrant and arrowhead were selected for this study. Also, the conventional honeycomb structure was selected to investigate the effect of the negative Poisson ratio on the considered parameters.
Polylactic acid was used to make the structures. These structures were produced by the additive manufacturing method. Additive manufacturing is an automated process used to produce three-dimensional objects using computer-aided design data. One of the most common methods of additive manufacturing is 3D printing, using the fused deposition modeling method. This method is based on melting the raw material, deforming it, and printing the desired structure through the placement of successive layers. A quasi-static loading test was used to measure the energy absorption of the structures. To accurately calculate the Poissonʹs ratio of the structures, the samples were imaged during the quasi-static test. Then this test was modeled in numerical simulation software and the results of finite element analysis were compared with the results of the practical test to validate the results. In the next stage of this research, an impact loading test was simulated in this software. According to the results of this study, in the honeycomb structure, the strength of the structure decreased after yielding. In the case of auxetic structures, the ultimate force was greater than the yield force. The ultimate force of the re-entrant and arrowhead structures was increased by 125% and 164% compared to the honeycomb structure, respectively. The amount of energy absorption of the re-entrant and arrowhead compared to the honeycomb structure had increased by 47.4% and 176.8%, respectively. The rate of specific energy absorption in the two mentioned acetic structures compared to the non-acetic structure improved by 20.9% and 53.5%, respectively. The Poissonʹs ratio in internal, triangular, and honeycomb structures was -2.40, -0.88, and 1.48, respectively. The information obtained from the finite element analysis results showed less than 10% error and, as a result, is in good agreement with the experimental test results. Also, the study of the reduction of projectile acceleration in the impact load test showed the superiority of auxetic structures, especially the arrowhead structure, over the conventional structure.
