[논문 리뷰] Multilayered Recoverable Sandwich Composite Structures with Architected Core

Vinay Damodaran, Anna G. Hahm외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 25.

Advanced Materials and Mechanics참고 문헌 42인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 점탄성 재료로 제작된 빈 도형의 원추 단위세포를 갖는 3D 프린팅된 아키텍처 구조를 가진 다층형 복합재로, 제어된 붕괴를 통해 에너지를 소산시키고, 진위 이중성에 의해 원래 형태로 복구되며, 영구 변형 없이 반복적인 에너지 흡수 기능을 수행한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 과도한 하중에 노출된 후에도 영구 변형 없이 복구 가능한 샌드위치 복합재 핵심을 개발하기 위해.
• 충격 또는 과부하 시 영구 변형을 겪는 전통적 거품 또는 꿀벌집 핵심의 한계를 해결하기 위해.
• 축 방향 및 축-비틀림 복합 하중 하에서 아키텍처화된 잘린 원뿔 단위세포의 기계적 거동을 탐구하기 위해.
• 붕괴 강도와 붕괴 후 안정성에 영향을 주는 기하학적 매개변수를 규명하여 최적 설계를 위한 기초를 마련하기 위해.
• 점탄성 재료 거동이 시간 지연 복구(진위 이중성)를 가능하게 하여 외부 자극이 필요 없도록 하는 메커니즘을 입증하기 위해.

제안 방법

• 에너지 소산 및 지연 복구를 가능하게 하기 위해 점탄성 수지로 빈 도형의 원뿔 단위세포를 설계 및 3D 프린팅한다.
• 비차원 기하학적 매개변수 정의: α(측면의 길이비), β(기저면에 대한 기울기 각도), γ(순환 방향의 곡률).
• 유한 요소 해석(FEM)을 사용해 축 방향 및 축-비틀림 복합 하중을 시뮬레이션하고, 실험 결과와의 일치성을 검증한다.
• 1층 및 2층 샘플에 대해 3점 bending 시험을 실시하여 구조적 복구 및 변형 거동을 평가한다.
• 하중-변위 및 변위-시간 응답을 분석하여 복구 동역학과 안정성을 정량화한다.
• 붕괴 하중 및 붕괴 후 안정성과 α, β, γ 간의 관계를 맵핑하여 예측 설계를 위한 지도를 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기하학적 매개변수 α, β, γ는 잘린 원뿔 단위세포의 최대 붕괴 하중과 붕괴 후 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 점탄성은 어떻게 진위 이중성 거동과 시간 지연 구조 복구를 가능하게 하는가?
• RQ3 축-비틀림 복합 하중은 아키텍처화된 핵심 구조의 복구 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다층화가 중량 증가 없이도 하중 지속 능력과 굽힘 강성 향상에 기여하는가?
• RQ5 곡률 매개변수 γ는 단안정성에서 진위 이중성으로의 전이를 얼마나 결정적으로 좌우하는가?

주요 결과

• 최대 붕괴 하중는 α(길이비)와 β(기울기 각도)에 직접 비례하며, 재료 부피로 정규화된 경우 γ에 영향을 받지 않는다.
• 붕괴 후 안정성은 γ에 크게 영향을 받는다; 높은 γ(작은 곡률 반경)는 '잠금 효과'를 유도하여 진위 이중성 안정성을 향상시킨다.
• 실험적 3점 bending 시험을 통해 1층 및 2층 샘플 모두 완전한 복구가 이루어졌으며, 변위-시간 도표에서 복구 시간이 관측되었다.
• 하중 도중 발생하는 횡방향(비틀림) 변위는 원뿔의 반대편에 복원 힘을 유도하며, 자가 복구를 촉진하고 단안정성 거동을 유도한다.
• 점탄성 재료는 진위 이중성을 가능하게 하여, 구조물이 일시적으로 변형된 상태로 유지되었다가 시간 지연 후 외부 자극 없이 복구될 수 있도록 한다.
• 핵심의 다층화를 통해 단위세포의 더 조밀한 패킹이 가능해져 굽힘 강성과 하중 용량이 증가하지만, 중량 증가 없이 유지된다.