توصيفگر ها :
آگزتيك , پواسون منفي , فوم پلياورتان , جذب انرژي , تحليل اجزاي محدود , آزمايش فشار شبهاستاتيك
چكيده فارسي :
ساختارهاي آگزتيك گونه¬اي از فرامواد با ضريب پواسون منفي و هندسههاي خاص است. نسبت پواسون منفي اين دسته از ساختارها دليل ايجاد ويژگي و خواص مكانيكي مانند وزن پايين، مقاومت برشي زياد و جذب انرژي بالا ميباشد كه در پژوهش حاضر مورد مطالعه قرار مي¬گيرد. در اين پاياننامه، نحوه تغيير شكل و ظرفيت جذب انرژي سازه آگزتيك مبتني بر يك سلول واحد تركيبي در مقايسه با لانهزنبوري و درونرو كه با فيلامنت TPU چاپ سهبعدي شده و با فوم پلياورتان پر شده، تحت بارگذاري شبهاستاتيك با استفاده از آزمايشهاي فشاري و شبيهسازي اجزاي محدود بررسي و مقايسه شده است. هدف اصلي بررسي نقش هندسه آگزتيك و اثر پر شدن هسته با فوم در افزايش سفتي، استحكام فشاري و جذب انرژي ويژه و ارائه راهكارهاي طراحي براي كاربردهاي جاذب انرژي و سازههاي سبكوزن بود. روش كار شامل طراحي هندسي سلولها، ساخت نمونههاي آزمايشگاهي با چاپ FDM، تهيه و تزريق فوم پلياورتان در داخل سلولها، آزمايش فشاري شبهاستاتيك و مدلسازي سهبعدي با تحليل حساسيت مش و اعتبارسنجي انرژي بود. يافتههاي عددي و تجربي نشان ميدهد كه پر كردن هسته با فوم تاثير قابلتوجهي بر خواص سازه دارد. استحكام فشاري براي نمونه تركيبي پرشده با فوم برابر با 2/327 مگاپاسكال گزارش شد؛ درحاليكه نمونه تركيبي بدون فوم 1/521 مگاپاسكال، ساختار درونرو 0/198 مگاپاسكال و ساختار لانهزنبوري 0/089 مگاپاسكال بود. يعني نمونه پرشده با فوم تقريباً 2 تا 25 برابر نمونههاي ديگر مقاومت فشاري بالاتري نشان داد. در بحث سفتي، نمونه تركيبي پرشده تحت بار 300 نيوتن و جابجايي 2 ميليمتر، نسبت به ساختار لانهزنبوري و درونرو بهترتيب 13 و 11 برابر سفتي بيشتري نشان داد و نسبت به نمونه تركيبي بدون فوم 4 برابر سفتي بالاتري داشت. اين افزايش سفتي نشاندهنده نقش بارز فوم در توزيع تنش و جلوگيري از كمانش موضعي ديوارهها است. يكي از مهمترين نتايج، افزايش محسوس جذب انرژي در حالت پرشده بود. جذب انرژي سازه تركيبي همراه با فوم بهطور ميانگين 2 برابر بيشتر از حالت بدون فوم گزارش شد كه هم در نتايج عددي و هم در آزمايشها تكرارپذيري مناسبي داشت. اين افزايش نشان ميدهد كه تركيب هندسه آگزتيك با فوم پلياورتان ميتواند كارايي جذب انرژي را بهطور چشمگيري بالا ببرد و بهعنوان راهبردي موثر در طراحي جاذبها مطرح شود. در بخش عددي از نرمافزار آباكوس بر پايه حل اجزا محدود استفاده ميشود. براي اعتبارسنجي شبهاستاتيك بودن حل، نسبت انرژي جنبشي به انرژي دروني زير آستانههاي مرسوم (كمتر از 5-10%) قرار داشت و روند انرژي جنبشي نيز نوسانات شديد نشان نداد. اين امر نشاندهنده كفايت تنظيمات تحليل و قابليت اعتماد نتايج شبهاستاتيك است. تحليل حساسيت مش انجام شد. نتايج پژوهش حاضر همچنين در راستاي مطالعات پيشين قرار دارد. اين پژوهش نشان داد پر كردن هسته با فوم پلياورتان جذب انرژي ويژه را نسبت به حالت بدون فوم 101% افزايش ميدهد كه مطابقت با مطالعات موجود ميكند. در پايان، دستاوردهاي كليدي اين تحقيق شامل اثبات موثر بودن پر كردن هسته آگزتيك با فوم پلياورتان براي افزايش همزمان سفتي، استحكام و جذب انرژي، ارائه روندي براي اعتبارسنجي حل عددي شبهاستاتيك و تعيين محدوده مناسب اندازه مش و شناسايي پارامترهاي طراحي (هندسه سلولي و استفاده فوم) كه ميتوانند در كاربردهاي صنعتي سبكوزن و سيستمهاي محافظتي سودمند باشند. نتايج اين پاياننامه پيشنهاد ميكند كه ساختار آگزتيك تركيبي پرشده با فوم گزينهاي عملي و قابلاعتماد براي طراحي جاذبهاي انرژي در صنايع هوافضا، خودروسازي و تجهيزات حفاظتي هستند و مسير روشني براي تحقيقات بعدي ازجمله بهينهسازي توزيع فوم، آزمونهاي ضربهاي ديناميك و مطالعه رفتار در نرخهاي بارگذاري بالا پيشروي پژوهشگران ميگذارد.
چكيده انگليسي :
Auxetic structures are a type of metamaterial characterized by a negative Poisson’s ratio and special geometrical configurations. The negative Poisson’s ratio in these structures leads to unique mechanical properties such as low weight, high shear strength, and high energy absorption, which are investigated in the present study. In this thesis, the deformation behavior and energy absorption capacity of an auxetic structure based on a composite unit cell were compared with those of honeycomb and re-entrant structures. The samples were fabricated using 3D printing with TPU filament and filled with polyurethane foam. Their mechanical performance under quasi-static loading was examined through compression tests and finite element simulations. The main objective was to evaluate the role of auxetic geometry and the effect of foam core filling in enhancing stiffness, compressive strength, and specific energy absorption, and to provide design guidelines for energy-absorbing and lightweight structural applications. The methodology included the geometric design of the unit cells, fabrication of experimental specimens by FDM printing, preparation and injection of polyurethane foam into the cells, quasi-static compression testing, and 3D modeling with mesh sensitivity analysis and energy validation. Numerical and experimental results showed that filling the core with foam had a significant effect on the structural properties. The compressive strength of the foam-filled composite sample was reported as 2.327 MPa, while the unfilled composite, re-entrant, and honeycomb structures showed 1.521 MPa, 0.198 MPa, and 0.089 MPa, respectively. Thus, the foam-filled sample exhibited approximately 2 to 25 times higher compressive strength than the other structures. In terms of stiffness, the foam-filled composite sample under a load of 300 N and a displacement of 2 mm demonstrated 13- and 11-times greater stiffness than the honeycomb and re-entrant structures, respectively, and 4 times higher stiffness than the unfilled composite sample. This increase in stiffness highlights the critical role of the foam in stress distribution and in preventing local wall buckling. One of the most important findings was the significant increase in energy absorption in the foam-filled condition. The energy absorption of the foam-filled composite structure was, on average, twice that of the unfilled one, showing good repeatability in both numerical and experimental results. This indicates that the combination of auxetic geometry with polyurethane foam can greatly enhance energy absorption efficiency and serve as an effective design strategy for energy absorbers. In the numerical part, Abaqus software based on the finite element method was used. To verify the quasi-static nature of the analysis, the ratio of kinetic energy to internal energy remained below conventional thresholds (less than 5–10%), and the kinetic energy trend did not show significant fluctuations, confirming the adequacy of the analysis setup and the reliability of the quasi-static results. Mesh sensitivity analysis was also performed. The results of the present study are consistent with previous research, demonstrating that filling the core with polyurethane foam increases specific energy absorption by 101% compared to the unfilled case.