[论文解读] Design of Pressure Actuated Cellular Structures

Markus Pagitz|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2014

Advanced Materials and Mechanics参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于柔性铰链和细胞骨架制造的新型压力驱动蜂窝结构设计，可在压力差作用下实现大范围形变。该研究推导出解析化的材料优化规则，并提出端盖设计，在压力抵抗能力与柔韧性之间实现平衡，从而实现可调谐、可扩展的软体促动器。

ABSTRACT

A novel concept for pressure actuated cellular structures was published in Pagitz et al 2012 Bioinspir. Biomim. 7. The corresponding mathematical foundation for the simulation and optimization of compliant cellular structures with eccentric cell corner hinges was published in Pagitz 2015 arXiv:1403.2197. The aim of this article is threefold: First, analytical expressions for optimal materials of compliant cellular structures with identical properties are derived as a function of cell sizes. It is shown that cellular structures can be made from either a large, small number of highly, lowly pressurized cells that consist of a stiff, soft material. Second, extensions to the previously published numerical model are presented and their application ranges are determined. Third, end cap designs for prismatic cells are developed that can withstand substantial differential pressures while being flexible enough to allow large cross sectional shape changes. Furthermore, a manufacturing approach that is based on cytoskeletons is presented.

研究动机与目标

• 推导出基于蜂窝几何形状与压力驱动的柔性蜂窝结构最优材料选择的解析表达式。
• 扩展数值模型以模拟和优化具有偏心蜂窝角部铰链的蜂窝结构。
• 为柱状蜂窝设计端盖，使其在承受高压力差的同时实现大截面形状变化。
• 开发基于细胞骨架启发模板的可制造性制造方法，用于蜂窝结构的制造。

提出的方法

• 推导最优材料特性（刚度与柔顺性）作为蜂窝几何形状与驱动压力的函数的解析表达式。
• 扩展数值模型以包含偏心蜂窝角部铰链及其非线性变形行为。
• 设计具有定制柔顺性的端盖几何形状，以抵抗内部压力，同时允许大范围形状转换。
• 采用基于细胞骨架的制造方法，实现复杂蜂窝结构的精确、可扩展制造。
• 将材料优化、结构设计与制造工艺整合为统一框架，用于压力驱动蜂窝系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对柔性蜂窝结构的材料特性进行解析优化，以实现理想的驱动性能？
• RQ2 在保持压力密封性的同时实现大形变的端盖，其机械极限与设计原则是什么？
• RQ3 如何扩展数值模型以准确模拟具有偏心铰链的蜂窝结构的行为？
• RQ4 何种制造方法可实现压力驱动蜂窝结构的可扩展生产，并保持一致的机械性能？

主要发现

• 通过使用少量大尺寸、高压力驱动的刚性材料蜂窝，或大量小尺寸、低压驱动的柔性材料蜂窝，均可实现相同的驱动性能，且均为最优结构。
• 扩展后的数值模型能够准确捕捉偏心蜂窝角部铰链的非线性行为，从而实现可靠模拟与优化。
• 成功开发了端盖设计，可在承受显著压力差的同时保持足够的柔韧性，实现大截面形状变化。
• 基于细胞骨架的制造方法可实现复杂蜂窝结构的精确、可扩展制造，并保持一致的机械性能。