Registration Number
0824U003202, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
04-09-2024
popup.evolution
o
Title
Influence of mesostructure features on the effective properties of metamaterials such as inverse opal and inverse honeycomb
Author
Pavlo О. Korobko,
popup.head Mykhailo B. Shtern
popup.opponent Viacheslav A. Titov
popup.opponent Volodimir I. Kushch
popup.review Oleksandr I. Tolochyn
popup.review Anatolii V. Laptiev
popup.rada
Frantsevich Institute for Problems of Materials Science National Academy of Science of Ukraine
Description
Робота виконана на 165 сторінках, включає 42 ілюстрації, 19 таблиць та 112 посилання на джерела. Дисертація складається із 4 основних розділів – перші два присвячені опису теоретичних засад, на яких ґрунтується дослідження, що описано у розділах 3 та 4. Розділ 3 присвячений проведенню обчислювального експерименту для оцінки механічної поведінки матеріалу зі структурою інверсного опалу. У 4 розділі проводиться дослідження залежності коефіцієнта Пуассона від внутрішньої геометрії високопористого матеріалу на прикладі просторової структури інверсного бджолиного стільника.
Визначення ефективних властивостей різноманітних структур сприяє пошуку оптимальних матеріалів для подолання інженерних викликів в інноваційних галузях, таких як авіа- та ракетобудування, інформаційні та оборонні технології, біомедична інженерія, тощо. Дослідження впливу як структури метаматеріалу на його реологічний відгук, так і впливу деформування на зміну структури, – є важливим науковим та практичним завданням.
В роботі досліджувались два типи структур пористих метаматеріалів – «інверсні опали» та «інверсні бджолині стільники». При цьому була виділена низка проблем дотичних до ефективних реологічних властивостей таких метаматеріалів.
Відповідно до цього, об’єктом дослідження дисертаційної роботи є різноманітні впорядковані високопористі періодичні структури інверсного опалу та інверсного бджолиного стільника. Предметом дослідження є процес переходу цих матеріалів від зворотних до незворотних деформацій при дії зовнішніх зусиль. Метою дослідження є знаходження залежностей між геометричними характеристиками порового простору та механічними властивостями матеріалів. Основними завданнями дисертаційного дослідження є:
- знаходження пружних і пластичних властивостей матеріалів;
- аналітичний опис залежностей механічних властивостей і геометричних характеристик структур;
- оптимізація геометрії структур, що характеризуються від’ємним коефіцієнтом Пуассона.
В основу цього дисертаційного дослідження покладено методи мікромеханіки із застосуванням обчислювальних методів аналізу процесів, методу скінченних елементів. Використання методів мікромеханіки обумовлено тим, що за рахунок періодичності структури ми можемо чітко виокремити елементарний об’єм у просторі, що розглядається. Це дає змогу раціонально використовувати ресурси обчислювальної техніки, що в першу чергу має як результат економію часу, а у випадку подрібнення сітки скінченних елементів – збільшення точності розрахунку.
За результатами дослідження був сформований ряд висновків, що описують наукову новизну та практичне значення дисертаційної роботи:
1. Вперше було знайдено граничні значення напружень пружного деформування для інверсно-опалового пористого матеріалу з металевою матрицею для всього діапазону схем навантаження.
2. Вперше для широкого діапазону структури інверсного опалу було знайдено ефективні модулі пружності.
3. Було змодельовано процес незворотного пластичного стиснення пористого матеріалу з інверсно-опаловою структурою аж до моменту, коли структура пор стає закритою.
4. Було показано, що ідентифікація пластичної поведінки інверсного опалу невідомої структури за допомогою простого експерименту на одновісне навантаження є коректною тільки у висопористому випадку. В противному випадку прогнозована за результатами експерименту на одновісне навантаження величина границі текучості на всебічний стиск дає похибку на 30%.
5. Для зручності використання отриманої моделі пластичності в пакетах скінчено-елементного моделювання з метою оптимізації конструкцій за наявності в них елементів інверсного опалу, було здійснено наближення отриманих обчислювальних даних феноменологічною моделлю Дешпанда-Флека. Виявилось, що таке наближення досить коректне, тобто форма кривої текучості в площині інваріантів тензора напружень близька до еліптичної.
6. На прикладі складної просторової стрижневої структури була досліджена ауксетична поведінка метаматеріалів, що є важливим для прогнозування механічних властивостей матеріалу і оптимізації його внутрішньої структури при використанні у елементах захисних конструкцій.
7. Було показано, що коефіцієнт Пуассона набуває від’ємних значень за відносно високих значень пористості структури інверсного бджолиного стільника – понад 75% і переважно визначається геометрією структури.
8. Результати дослідження показали, що значення коефіцієнта Пуассона структури інверсного бджолиного стільника можуть варіюватися у широкому діапазоні при відносно малій зміні величини пористості (3%) за рахунок введення у геометрію структури додаткових сферичних вузлів у місцях перетину стрижнів.
Ключові слова: Мікромеханіка, метаматеріали, пружність, пластичність, деформація, модуль пружності, коефіцієнт Пуассона, апроксимація, пористість, поверхня навантаження, метод скінченних елементів, елементарна комірка, ефективні властивості, інверсний опал, інверсний бджолиний стільник.
Registration Date
2024-10-07
popup.nrat_date
2024-10-07 / 2026-07-01
