[論文レビュー] Multilayered Recoverable Sandwich Composite Structures with Architected Core

Vinay Damodaran, Anna G. Hahm+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Advanced Materials and Mechanics参考文献 42被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、粘弾性材料で作られた中空の切断円錐単位セルを3Dプリントしたアーキテクチャッドコアを有する、多層で回復可能なサンドイッチ複合材料構造を提案する。コアは制御された座屈によりエネルギーを散逸し、擬似二安定性によって元の形状に回復する。これにより、塑性変形を伴わず、外部刺激なしに繰り返しエネルギー吸収が可能となる。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel design and fabrication strategy to produce architected core structures for use as the core in composite sandwich structures. A traditional foam core or honeycomb structure is lightweight and stiff, but susceptible to permanent deformation when subjected to excessive loading. Here we propose the use of an architected structure composed of arrays of hollow truncated cone unit cells that dissipate energy and exhibit structural recovery. These structures printed with a viscoelastic material rely on buckling of their sidewalls to dissipate energy and snap-back to prevent permanent deformation. We explore the mechanical response of these conical unit cells in terms of their buckling strength and post-buckling stability condition, and develop design maps for the same, by relating them to non-dimensional geometric parameters $\alpha$, $\beta$, $\gamma$, where $\alpha$ represents the slenderness of the curved sidewalls, $\beta$ is the angle of the sidewall to the base, and $\gamma$ represents the curvature of the sidewall. A validated finite element model is developed and used to investigate the effect of these parameters. We see that the peak buckling load is directly proportional to both $\alpha$ & $\beta$ and is not dependent on $\gamma$ when the load is normalized by the volume of material in the curved sidewall. Interestingly, the post-buckling stability is influenced by $\gamma$, or the initial curvature of the sidewall, where a larger radius of curvature makes the structure less susceptible to exhibit structural bistability. The structures presented here are printed using a viscoelastic material, that causes them to exhibit pseudo-bistability, or a time-delayed recovery. This allows the structures to buckle and dissipate energy, and then recover to their original configurations without the need for external stimuli or energy.

研究の動機と目的

• 過大な荷重後に構造的回復が可能な、高エネルギー吸収性を併せ持つ回復可能なサンドイッチ複合材料コアの開発。
• 衝撃や過荷重条件下で永久変形を起こす伝統的なフォームやハニカムコアの限界を克服すること。
• 軸方向および軸方向-せん断複合荷重下におけるアーキテクチャッド切断円錐単位セルの機械的挙動の解明。
• 座屈強度と座屈後の安定性を制御する幾何学的パラメータの同定と最適設計のための基盤構築。
• 粘弾性材料の挙動が時間遅れを伴う回復（擬似二安定性）を可能にし、外部刺激の必要性を排除することの実証。

提案手法

• エネルギー散逸と遅延回復を可能にするために、粘弾性樹脂を用いて中空の切断円錐単位セルを設計・3Dプリントする。
• 無次元化された幾何学的パラメータを定義：α（側面のスレンダーネス）、β（底面に対する傾斜角）、γ（円周方向の曲率）。
• 有限要素解析（FEM）を用いて軸方向および軸方向-せん断複合荷重をシミュレートし、実験データと照合して妥当性を検証する。
• 1層および2層のサンプルに対して三点曲げ試験を実施し、構造的回復性および変形挙動を評価する。
• 荷重-変位および変位-時間応答を分析し、回復ダイナミクスと安定性を定量的に評価する。
• α、β、γをバッキング荷重および座屈後の安定性と関連付ける設計マップを構築し、予測的設計を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何学的パラメータα、β、γは、切断円錐単位セルのピーク座屈荷重および座屈後の安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 粘弾性が擬似二安定挙動と時間遅れを伴う構造的回復を可能にする役割は何か？
• RQ3 軸方向-せん断複合荷重は、アーキテクチャッドコア構造の回復挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ4 多層化により、顕著な重量増加を伴わずに、荷重耐性および曲げ剛性を向上させることができるか？
• RQ5 曲率パラメータγは、単安定状態から擬似二安定状態への遷移をどれほど支配的か？

主な発見

• ピーク座屈荷重は、α（スレンダーネス）およびβ（傾斜角）に比例し、材料体積で正規化した場合、γに依存しない。
• 座屈後の安定性はγに強く依存する。γが大きい（曲率半径が小さい）ほど、「ロックイン効果」が促進され、擬似二安定性が向上する。
• 実験的な三点曲げ試験により、1層および2層の両方のサンプルで完全な回復が確認され、変位-時間プロットから回復時間を観察した。
• 荷重時の横方向（せん断）変位は、円錐の反対側に復元的引張力が発生させ、自己回復を促進し、単安定挙動を促進する。
• 粘弾性材料により擬似二安定性が実現され、構造物が一時的に変形した後、外部刺激なしに時間遅れを伴って回復する。
• コアの多層化により、単位セルの密なパッケージングが可能となり、曲げ剛性および荷重容量が向上するが、重量増加は顕著でない。