[论文解读] The key to the enhanced performance of slab-like topologically interlocked structures with non-planar blocks

Ioannis Koureas, Mohit Pundir+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Adhesion, Friction, and Surface Interactions被引用 1

一句话总结

本研究表明，具有波浪形非平面块体的板状拓扑互锁结构（TIS）在真实摩擦系数（µ = 0.23）下可实现峰值载荷和断裂能的饱和，而平面块体则需要不切实际的高摩擦系数。其关键机制在于铰接点处的局部倾角，该机制可实现延性破坏，并使断裂能与峰值载荷呈次线性 scaling 关系，显著提升能量吸收能力和最终变形量。

ABSTRACT

Topologically interlocked structures are assemblies of interlocking blocks that hold together solely through contact. Such structures have been shown to exhibit high strength, energy dissipation, and crack arrest properties. Recent studies on topologically interlocked structures have shown that both the peak strength and work-to-failure saturate with increasing friction coefficient. However, this saturated structural response is only achievable with nonphysically high values of the friction coefficient. For beam-like topologically interlocked structures, non-planar blocks provide an alternate approach to reach similar structural response with friction properties of commonly used materials. It remains unknown whether non-planar blocks have similar effects for slab-like assemblies, and what the achievable structural properties are. Here, we consider slab-like topologically interlocked structures and show, using numerical simulations, that non-planar blocks with wave-like surfaces allow for saturated response capacity of the structure with a realistic friction coefficient. We further demonstrate that non-planar morphologies cause a non-linear scaling of the work-to-failure with peak strength and result in significant improvements of the work-to-failure and ultimate deflection - values that cannot be attained with planar-faced blocks. Finally, we show that the key morphology parameter responsible for the enhanced performance of non-planar blocks with wave-like surfaces is the local angle of inclination at the hinging points of the loaded block. These findings shed new light on topologically interlocked structures with non-planar blocks, allowing for a better understanding of their strengths and energy absorption.

研究动机与目标

• 探究非平面块体是否能够解锁板状拓扑互锁结构（TIS）在真实摩擦系数下的未开发断裂能潜力。
• 确定非平面形态是否相比平面块体导致更具延性的破坏模式。
• 识别控制非平面TIS增强力学性能的主导几何参数。
• 量化非平面TIS中峰值载荷与断裂能之间的标度关系，并与平面TIS中观察到的线性标度关系进行比较。

提出的方法

• 采用有限元分析进行数值模拟，研究在准静态加载下具有波浪形块体的板状TIS。
• 系统性地改变波幅（A）、振荡次数（n）和平均界面倾角（θ），以评估其对力学响应的影响。
• 比较平面块体与非平面块体在载荷-位移行为、峰值载荷（Fmax）、断裂能（U）和最终变形量（δ）方面的表现。
• 分析应力和接触力分布，以理解载荷路径的非对称性与结构稳定性。
• 评估铰接接触区域的局部倾角作为关键形态学参数。
• 使用归一化参数（Fy/(E·h⁴/L²) 和 δ/h）以实现在不同结构尺度下的可比性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在板状TIS中，非平面块体是否能在真实摩擦系数（µ = 0.23）下实现饱和的结构响应（峰值载荷与断裂能），而平面块体则不能？
• RQ2 非平面TIS的破坏模式与平面TIS有何不同？是否能实现更高的延性和断裂能？
• RQ3 导致具有波浪形表面的非平面块体性能增强的主导几何参数是什么？
• RQ4 非平面TIS中峰值载荷与断裂能之间的标度关系是否偏离线性？如果是，其偏离形式如何？
• RQ5 铰接点处的局部倾角如何影响非平面TIS中的载荷传递与结构稳定性？

主要发现

• 非平面波浪形块体可在真实摩擦系数（µ = 0.23）下实现峰值载荷和断裂能的饱和，消除了平面块体所需不切实际的高摩擦系数（如 µ = 7.0）的依赖。
• 非平面TIS中的断裂能与峰值载荷呈次线性标度关系，相较于平面TIS中观察到的线性标度，显著提升了能量吸收能力。
• 非平面TIS的最终变形量达到 δ/h ≈ 2.0，超过在相同条件下平面TIS的理论上限 δ/h = 3，表明其可实现此前未被开发的性能潜力。
• 铰接接触区域的局部倾角是决定性能增强的关键形态学参数，因其诱导了非对称载荷传递，并增强了主载荷路径的结构刚度。
• 非平面TIS中的应力和接触力分布显示非对称载荷传递，y-z平面内压缩应力更高，表明载荷路径更刚性，从而增强了结构的抗撞性能。
• 在高变形位移下，由于块体旋转导致接触点减少，载荷-位移曲线中观察到数值伪影，但断裂能随波幅和振荡次数增加的整体趋势保持一致。