مطالعه‌ی عددی و تجربی میزان جذب انرژی سازه‌ی لانه‌زنبوری هدفمند با سفتی منفی ‏تحت بارگذاری شبه‌استاتیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

2 دانشیار گروه مهندسی مکانیک- دانشگاه بیرجند

چکیده

سازه‌های لانه‌زنبوری هدفمند با سفتی منفی به دلیل داشتن دو ویژگی هدفمند بودن و سفتی منفی می‌توانند دارای کاربرد فراوان به عنوان جاذب انرژی باشند. در این پژوهش تاثیر هدفمند نمودن سازه‌های لانه‌زنبوری با سفتی منفی در افزایش میزان جذب انرژی بررسی شده است. در این لانه‌زنبوری‌ها هدفمند نمودن سازه با تغییر تدریجی در ضخامت تیرهای خمیده در هر لایه انجام شده است. سازه لانه‌زنبوری با سفتی منفی نوعی جاذب انرژی است که با تغییر از یک مود کمانش به مود دیگر و رفتار فراجهش مانند در سلول‌ها، باعث جذب انرژی می‌شود. در این تحقیق ابتدا آزمایش تراکم شبه‌استاتیکی بر روی لانه‌زنبوری با سفتی منفی و ضخامت ثابت انجام شده است. پس از آن، مدل اجزاء محدود سازه، تحت تراکم شبه‌استاتیکی در نرم‌افزار آباکوس شبیه‌سازی شده و نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. با مقایسه نتایج تجربی و عددی، انطباق مناسبی بین نتایج مشاهده می‌شود. سپس لانه‌زنبوری هدفمند با سفتی منفی در نرم‌افزار آباکوس شبیه‌سازی شده و عملکرد جذب انرژی در آن با لانه‌زنبوری با سفتی منفی و ضخامت ثابت مقایسه شده است. نتایج این مقایسه نشان می‌دهد که میزان جذب انرژی در واحد جرم برای لانه‌زنبوری هدفمند 1/57 برابر افزایش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Study of Energy Absorption Amount of Functionally Graded Honeycomb with Negative Stiffness Property under Quasi-Static Load

نویسندگان [English]

  • Mahdiyeh shafipour 1
  • Seyed Yousef Ahmadi-Brooghani 2
1 Department of Mechanical Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
2 Assoc. Prof., Mech. Eng., University of Birjand, Birjand , Iran
چکیده [English]

Functionally graded honeycomb with negative stiffness can be used extensively as an energy absorber because of having two features of negative stiffness and being functionally graded. In this research, the effect of using functionally graded honeycomb with negative stiffness in increasing energy absorption has been considered. In functionally graded honeycomb the thicknesses of structure change gradually in each layer, as a result, each layer has a different stiffness. Negative stiffness honeycomb is a type of energy absorbers that absorb energy by the transition from one buckled shape to another and show snap through- like behavior.In this research, at first quasi-static tests have been carried out on negative stiffness honeycombs with constant thickness. Then finite element model of negative stiffness honeycomb with constant thickness is simulated in ABAQUS software and the results of simulation are compared with experimental results and a good agreement between numerical and experimental results has been observed. Functionally graded honeycomb with negative stiffness then has been modeled numerically. Energy absorption per unit mass of the functionally graded negative stiffness honeycomb has been compared with conventional ones. Based on the results, energy absorption per unit mass in functionally graded honeycomb with negative stiffness increased by 1.57 times.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Functionally graded honeycomb
  • Negative stiffness
  • Snap through
  • Energy absorption

مراجع

[1]   D.M. Correa, C.C. Seepersad, M.R. Haberman, Mechanical design of negative stiffness honeycomb materials, Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 4(1) (2015) 10.
[2]   D. M. Correa, T. D. Klatt, S.A. Cortes, M. R. Haberman, D. Kovar, and C.C. Seepersad, Negative Stiffness Honeycombs for Recoverable Shock Isolation, Rapid Prototyping Journal, 21(2) (2015) 193-200.
[3] B.A. Fulcher, D.W. Shahan, M.R. Haberman, C. Conner Seepersad, P.S. Wilson, Analytical and Experimental Investigation of Buckled Beams as Negative Stiffness Elements for Passive Vibration and Shock Isolation Systems, Journal of Vibration and Acoustics, 136(3) (2014) 031009-031012.
[4]   J. Qiu, An electrothermally-actuated bistable MEMS relay for power applications, Ph.D. thesis, MIT University, (2003).
[5]   J. Qiu, J.H. Lang, A.H. Slocum, A curved-beam bistable mechanism, Journal of Microelectromechanical Systems, 13(2) (2004) 137-146.
[6]   T.D. Klatt, Extreme energy absorption : the design, modeling, and testing of negative stiffness metamaterial inclusions, M.Sc. Thesis ,The University of Texas at Austin,(2014).
[7]   S. Deqiang, Z. Weihong, W. Yanbin, Mean out-of-plane dynamic plateau stresses of hexagonal honeycomb cores under impact loadings, Composite Structures, 92(11) (2010) 2609-2621.
[8]   Y. Song, Z. Wang, L. Zhao, J. Luo, Dynamic crushing behavior of 3D closed-cell foams based on Voronoi random model, Materials & Design, 31(9) (2010) 4281- 4289.
[9]L.T. Chang, C.H. Chang, G.L. Chang, Fit Effect of Motorcycle Helmet &mdash ; A Finite Element Modeling, JSME International Journal Series A Solid Mechanics and Material Engineering, 44(1) (2001) 185-192.
[10]L.T. Chang, G.L. Chang, J.Z. Huang, S.C. Huang, D.S. Liu, C.H. Chang, Finite element analysis of the effect of motorcycle helmet materials against impact velocity, Journal of the Chinese Institute of Engineers, 26(6) (2003) 835-843.
[11]A. Ajdari, H. Nayeb-Hashemi, A. Vaziri, Dynamic crushing and energy absorption of regular, irregular and functionally graded cellular structures, International Journal of Solids and Structures, 48(3) (2011) 506-516.
[12]A. Ajdari, S. Babaee, A. Vaziri, Mechanical properties and energy absorption of heterogeneous and functionally graded cellular structures, Procedia Engineering, 10 (2011) 219-223.
[13]X. Wang, Z. Zheng, J. Yu, Crashworthiness design of density-graded cellular metals, Theoretical and Applied Mechanics Letters, 3(3) (2013) 031001.
[14]S.A. Galehdari, M. Kadkhodayan, S. Hadidi-Moud, Low velocity impact and quasi-static in-plane loading on a graded honeycomb structure; experimental, analytical and numerical study, Aerospace Science and Technology, (74Supplement C) (2015) 425-433.
[15]H. Taghipoor, M. Damghani Noori, Experimental investigation of energy absorption in foam filled sandwich beams with expanded metal sheet as core under quasi-static bending, Modares Mechanical Engineering, 18(3) (2018) 126-134 (in Persian).
[16]H. Taghipoor, M. Damghani Noori, Experimental and numerical study on energy absorption of lattice-core sandwich beam, Steel and Composite Structures, 27(2) (2018) 135-147.
[17]H. Taghipoor, M. Damghani Noori, Topology Optimization Study in Energy Absorption of Latticecore Sandwich Beams under Three-point Bending Test, Modares Mechanical Engineering, 18(4) (2018) 163-173 (in Persian).
[18]B. Yu, B. Han, P.-B. Su, C.-Y. Ni, Q.-C. Zhang, T.J. Lu, Graded square honeycomb as sandwich core for enhanced mechanical performance, Materials & Design, 89(Supplement C) (2016) 642-652.
[19]X. Jin, Z. Wang, J. Ning, G. Xiao, E. Liu, X. Shu, Dynamic response of sandwich structures with graded auxetic honeycomb cores under blast loading, Composites Part B: Engineering, 106(Supplement C) (2016) 206-217.
[20]Y. Tao, S. Duan, W. Wen, Y. Pei, D. Fang, Enhanced out-of-plane crushing strength and energy absorption of in-plane graded honeycombs, Composites Part B: Engineering, 118(Supplement C) (2017) 33-40.
[21]E. Salcedo, D. Baek,  A. Berndt, J.  Eun Ryu, Simulation and validation of three dimension functionally graded materials by material jetting, Additive Manufacturing, 22(2018) 351-359.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 10
دی 1399
صفحه 2809-2822

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار