عنوان

بهینه سازی توپولوژیکی ریزساختارهای با رفتار اگزتیک

پ۲۵۵۴۱

per

بهینه سازی توپولوژیکی ریزساختارهای با رفتار اگزتیک

علی جلالی

عمران

۱۴۰۰

۱۳۳ص.

سی دی

دکتری

عمران گرایش سازه

۱۴۰۰/۰۶/۲۷

در طول سالیان اخیر محققان علوم مواد و جامدات توجه ویژه‌ای بر روی طراحی ساختار‌هایی معطوف نموده‌اند که دارای رفتار غیر متعارف در بارگذاری‌های مکانیکی یا حرارتی باشند. یکی از رفتار‌هایی که مورد توجه ویژه بوده رفتار ضریب پواسون منفی می‌باشد. در حالت کلی مواد معمولی با ضریب پواسون مثبت تحت بارگذاری محوری فشاری در جهت عمود بر بار بزرگتر شده و در حالت بارگذاری کششی، کوچکتر می‌شوند. مواد با ضریب پواسون منفی یا به اصطلاح اگزتیک‌ها برعکس موارد متعارف رفتار می‌کنند. این مواد یا سازه‌ها وقتی کشیده می‌شوند، عمود بر نیروی وارد شده ضخیم‌تر می‌شوند و در حالت فشار در جهت عمود کوچکتر ‌می‌شوند. این به دلیل ساختار داخلی خاص آن‌ها و نحوه تغییر شکل آن‌ها هنگام بارگذاری تک محوری می‌باشد. اگزتیک‌ها می‌توانند تک مولکول‌ها، کریستال‌ها یا ساختار خاصی از مواد ماکروسکوپی باشند. تحقیق پیش رو یک روش عددی برای طراحی ریزساختار دو‌بعدی با ضریب پواسون منفی (رفتار اگزتیک) ارائه می‌دهد. بر این اساس، از ترکیب روش المان محدود (FEM) با دو روش مختلف بهینه‌سازی به نام بهینه‌سازی تکاملی دو جهته‌ی سازه‌ها (BESO) و ماده ایزوتروپی جامد با جریمه (SIMP) استفاده شد تا یک محیط پیوسته مربع شکل بهینه‌سازی شود.. در ادامه، برای درک رفتار ریز‌ساختار ابداعی، مکانیزم تغییر شکل ریزساختار دوبعدی به صورت عددی-تحلیلی و همچنین آزمایشگاهی با استفاده از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. علاوه بر این، یک ریزساختار سه‌بعدی اگزتیک که نتیجه‌ی تجمیع تعدادی ریزساختار دو‌بعدی با شرایط خاص بود، معرفی شده و نحوه‌ی رفتار آن در حالت تکی، حضور در یک فوم دو‌بعدی (رفتار درون صفحه‌ای) و فوم سه‌بعدی بررسی گردید. نتایج نشان داد که با انتخاب هر یک از دو روش بهینه‌سازی (ترکیب FEM وBESO یا ترکیب FEM وSIMP ) هرکدام با تابع هدف و قید‌های متفاوت، می‌توان ریزساختارهایی را ایجاد کرد که رفتار ضریب پواسون منفی از خود نشان دهند. علاوه بر این، بین نتایج هر دو روش بهینه‌سازی شباهت قابل توجهی وجود دارد. همچنین ریزساختار دو‌بعدی پیشنهادی به عنوان یک ریزساختار با ضریب پواسون منفی عمل می‌کند و می‌تواند به راحتی به ریزساختاری سه‌بعدی تبدیل شود. این نوع ویژگی، ریزساختار سه‌بعدی ابتکاری را برای بسیاری از کاربردهای بالقوه مانند صنعت اتومبیل و هوا فضا و تجهیزات ورزشی، مکان‌هایی که محافظت از ضربه و جذب انرژی مطلوب است، بسیار جذاب می‌کند

During the recent years, materials and solids researchers have paid special attention on the design of structures that have unconventional behavior in mechanical or thermal loading. One of the behaviors that is particularly considered is negative Poisson behavior. In general, conventional materials with positive Poisson’s ratio get thinner in the direction perpendicular to the compressive loading. Materials with negative Poisson coefficient or so-called auxetics are behaving in contrast to conventional cases. These materials or structures get thicker in the direction perpendicular to the compressive loading. This is due to their specific internal structure and their deformation when under axial loading. Auxetics can be single molecules, crystals or specific structure of macroscopic materials. This research provides a numerical method for designing a two-dimensional microstructure with a negative Poisson ratio. To reach the goals, the combination of finite element method (FEM) with two different methods of optimization called bi-directional optimization of structures (BESO) and solid isotropy with fine (SIMP) was used to optimize a square shaped domain. After designing a two-dimensional innovative micro-structure, understanding its behavior was of importance. Therefore, the deformation mechanism of two-dimensional microstructure was studied in numerical analysis as well as laboratory analysis using 3D printing techniques. In addition, a three-dimensional auxetic microstructure, which was the result of assembling a number of two-dimensional microstructures with specific conditions, was introduced and its behavior as a single particle, presence in a two-dimensional foam (in-plane behavior) and in a 3D formation was studied. The results showed that by selecting each of the two methods of optimization (FEM and BESO compound or FEM and SIMP compound), each with different objective function and constraints, a microstructure that shows negative Poisson ratio can be designed. In addition, there is a significant similarity between the results of both optimization methods. Also, the proposed two-dimensional microstructure acts as a microstructure with a negative Poisson ratio and can easily turn into a 3D microstructure. This kind of innovative feature is appealing to many potential applications such as the car and space industry and sport equipments where energy absorbtion is desirable.

Topology Optimization of Micro-Structures with Auxetic Behavior

جلالی

‏ علی

تهيه کننده

‏تقی زادیه

‏عرب پور جوادی

‏ ناصر

‏ اکبر

استاد راهنما

استاد مشاور

‏ تبریز