О влиянии хиральности структуры ауксетических метаматериалов на сопротивление пробиванию ударником

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Экспериментально исследовались свойства метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона (с ауксетической структурой на основе ячейки в виде вогнутого шестиугольника) сопротивляться пробиванию по нормали жестким сферическим ударником. С помощью 3D-принтера из гибкого термопластичного полиуретана TPU 95A пластика и жесткого e-PLA-пластика были изготовлены одинаковые по массе образцы с хиральной и нехиральной структурой, которые сравнивались по способности снижать кинетическую энергию ударников на скорости около 190 м/c. Было установлено, что хиральность структуры образцов (как для TPU, так и для PLA-пластиков) приводит к усилению их защитных свойств. Однако, при повороте структуры образцов на 90° лучшее сопротивление пробиванию оказывали образцы без хиральности. По результатам проведенной серии экспериментов с TPU и PLA образцами самыми эффективными по сопротивлению пробиванию ударником оказались ауксетики из термопластичного полиуретана, с развернутой на 90° нехиральной структурой.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Ю. Иванова

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

К. Ю. Осипенко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Н. В. Баничук

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Д. С. Лисовенко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Lim T.-C. Auxetic Materials and Structures. Singapore: Springer, 2015. https://doi.org/10.1007/978-981-287-275-3
  2. Kolken H.M.A., Zadpoor A.A. Auxetic Mechanical Metamaterials // RSC Adv. 2017. V. 7. № 9. P. 5111–5129. https://doi.org/10.1039/C6RA27333E
  3. Ren X., Das R., Tran P. et al. Auxetic Metamaterials and Structures: A Review // Smart Mater. Struct. 2018. V. 27. № 2. P. 023001. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaa61c
  4. Wu W., Hu W., Qian G. et al. Mechanical design and multifunctional applications of chiral mechanical metamaterials: A review // Mater. Des. 2019. V. 180. P. 107950. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107950
  5. Городцов В.А. Лисовенко Д.С. Ауксетики среди материалов с кубической анизотропией // Известия РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 7–24. https://doi.org/10.31857/S0572329920040054
  6. Шитикова М.В. Обзор вязкоупругих моделей с операторами дробного порядка, используемых в динамических задачах механики твердого тела // Известия РАН. МТТ. 2022. № 1. С. 3–40. https://doi.org/10.31857/S0572329921060118
  7. Novak N., Vesenjak M., Ren Z. Auxetic cellular materials-a review // Strojniški vestnik – Journal of Mechanical Engineering. 2016. V. 62. № 9. P. 485–493. https://doi.org/10.5545/sv-jme.2016.3656
  8. Kelkar P.U., Kim H.S., Cho K.-H. et. al. Cellular Auxetic Structures for Mechanical Metamaterials: A Review // Sensors. 2020. V. 20. № 11. P. 3132. https://doi.org/10.3390/s20113132
  9. Joseph A., Manesh V., Harursampath D. On the application of additive manufacturing methods for auxetic structures: A review // Adv. Manuf. 2021. V. 9. № 3. P. 342–368. https://doi.org/10.1007/s40436-021-00357-y
  10. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Кузнецов В.А., Соловьев Н.Г., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Экспериментальное исследование свойств ауксетических и неауксетических метаматериалов из металла при проникании в них жестких ударников // Известия РАН. МТТ. 2023. № 2. С. 176–180. https://doi.org/10.31857/S0572329922600773
  11. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Демин А.И., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Изучение свойств метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона при пробивании жестким ударником // Известия РАН. МТТ. 2023. № 5. С. 120–130. https://doi.org/10.31857/S0572329923600366
  12. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Экспериментальное исследование свойств метаматериалов на основе PLA пластика при пробивании жестким ударником // Известия РАН. МТТ. 2024. № 4. С. 207–215. https://doi.org/10.31857/S1026351924040146
  13. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Investigation of the effect of a viscous filler on the punching process of auxetic and non-auxetic metamaterials // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 7. P. 3727–3734. https://doi.org/10.1134/S0025654424606633
  14. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Исследование влияния вязкого заполнителя на механические свойства метаматериалов с отрицательным и положительным коэффициентом Пуассона при пробивании жестким ударником // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2024. № 4 (62). С. 62–75. https://doi.org/10.37972/chgpu.2024.62.4.005
  15. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Влияние температуры метаматериалов на основе гибкого пластика TPU 95A на сопротивление пробиванию жестким ударником // Известия РАН. МТТ. 2025. № 1. С. 197–208. https://doi.org/10.31857/S1026351925010108
  16. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. О влиянии вязкого заполнителя на сопротивление пробиванию ударником гибких метаматериалов с ауксетическими свойствами // Изв. РАН. МТТ. 2025. № 2. С. 267–278. https://doi.org/10.31857/S1026351925020156
  17. Gao Y., Huang H. Energy absorption and gradient of hybrid honeycomb structure with negative Poisson’s ratio // Mech. Solids. 2022. V. 57. № 5. P. 1118–1133. https://doi.org/10.3103/S0025654422050053
  18. Хing Y., Deng B., Cao M. et al. Influence of structural and morphological variations in orthogonal trapezoidal aluminum honeycomb on quasi-static mechanical properties // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 1. P. 445–458. https://doi.org/10.1134/S0025654423602550
  19. Скрипняк В.В., Чирков М.О., Скрипняк В.А. Моделирование механической реакции ауксетических метаматериалов на динамические воздействия // Вестник ПНИПУ. Механика. 2021. № 2. C. 144–152. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2021.2.13
  20. Imbalzano G., Tran P., Lee P.V.S. et. al. Influences of material and geometry in the performance of auxetic composite structure under blast loading // Appl. Mech. Mater. 2016. V. 846. P. 476–481. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.846.476
  21. Zhao X., Gao Q., Wang L. et. al. Dynamic crushing of double-arrowed auxetic structure un-der impact loading // Mater. Des. 2018. V. 160. P. 527–537. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.09.041
  22. Li C., Shen H.S., Wang H. Nonlinear dynamic response of sandwich plates with functionally graded auxetic 3D lattice core // Nonlinear Dyn. 2020. V. 100. P. 3235–3252. https://doi.org/10.1007/s11071-020-05686-4
  23. Qiao J.X., Chen C.Q. Impact resistance of uniform and functionally graded auxetic double arrowhead honeycombs // Inter. J. Impact Eng. 2015. V. 83. P. 47–58. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2015.04.005
  24. Novak N., Starcevic L., Vesenjak M. et. al. Blast response study of the sandwich composite panels with 3D chiral auxetic core // Compos. Struct. 2019. V. 210. P. 167–178. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.11.050
  25. Yu Y., Fu T., Wang S., Yang C. Dynamic response of novel sandwich structures with 3D sinusoid-parallel-hybrid honeycomb auxetic cores: The cores based on negative Poisson’s ratio of elastic jump // Eur. J. Mech. – A/Solids. 2025. V. 109. P. 105449. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2024.105449
  26. Shen Z.Y., Wen Y.K., Shen L.Y. et. al. Dynamic response and energy absorption characteristics of auxetic concave honeycomb pad for ballistic helmet under shock wave and bullet impact // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 5. P. 3050–3067. https://doi.org/10.1134/S0025654424605159
  27. Jiang Q., Hao B., Chen G. et. al. Analysis of the penetration ability of exponential bullets on TPMS structures with variable density // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 5. P. 3198–3211. https://doi.org/10.1134/S0025654424605640
  28. Usta F., Türkmen H.S., Scarpa F. High-velocity impact resistance of doubly curved sandwich panels with re-entrant honeycomb and foam core // Int. J. Impact Eng. 2022. V. 165. P. 104230. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2022.104230

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Ауксетический хиральный образец: (a) напечатанный на 3D принтере образец из e-PLA-пластика; (б) 3D-модель: S = 6 мм, L = 3 мм, h = 0.4 мм, r = 0.8 мм.

Скачать (180KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Ауксетический образец без хиральности: (a) напечатанный на 3D-принтере образец из e-PLA-пластика; (б) 3D-модель: L = 3 мм, h = 0.5 мм, γ = 60°.

Скачать (388KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость относительной потери кинетической энергии d ударника от массы m хиральных и нехиральных образцов из e-PLA и TPU 95A для скорости входа ∼190 м/с: 1 – ауксетик e-PLA с хиральностью; 2 – ауксетик e-PLA без хиральности; 3 – ауксетик TPU 95A с хиральностью; 4 – ауксетик TPU 95A без хиральности.

Скачать (187KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Ауксетические образцы с поворотом структуры на 90°: (a) хиральный образец из TPU 95A пластика; (б) образец из TPU 95A пластика без хиральности.

Скачать (171KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость относительной потери кинетической энергии d ударника от массы m образцов из TPU 95A и e-PLA с поворотом структуры на 90° для скорости входа ∼ 190 м/с: 1 – ауксетик e-PLA с хиральностью; 2 – ауксетик e-PLA без хиральности; 3 – ауксетик TPU 95A с хиральностью; 4 – ауксетик TPU 95A без хиральности.

Скачать (183KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость относительной потери кинетической энергии d ударника от массы m ауксетических образцов из TPU 95A и e-PLA для скорости входа ∼ 190 м/с: 1 – e-PLA с хиральностью и поворотом на 90°; 2 – e-PLA без хиральности и поворота; 3 – TPU 95A с хиральностью без поворота; 4 – TPU 95A без хиральности с поворотом на 90°.

Скачать (197KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025