МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБРАЗЦОВ С ВОСЬМИУГОЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ.

Полный текст

Обоснование

Исследования в области проектирования материалов с заданными свойствами для транспортных и технологических машин показали, что изменение геометрической конфигурации внутренней структуры существенно влияют на способность метаматериала проявлять новые свойства, не свойственные его исходному состоянию [1-4]. Одним из показательных примеров в данной области является разработка метаматериалов с отрицательным показателем преломления света, свойства которых реализуется исключительно за счет изменения его структурной геометрии. В последнее время достижения в области технологий 3D-печати облегчили разработку и изготовление новых типов материалов, сделав процессы более доступными и экономичными для различных технологических применений, в том числе в области разработки и производства высокотехнологичных машин и оборудования, применяемых в сельском хозяйстве [5]. Перспективным направлением исследований также является разработка эластичных трехмерных структур метаматериалов [6].

Технология 3D-печати методом наплавления (FDM) в настоящее время широко распространена и заключается в расплавлении пластиковой нити внутри сопла принтера, выдавливании ее на платформу для сборки, создавая деталь слой за слоем [7]. Повышение доступности 3D-принтеров позволяет проводить обширные исследования в области материалов, направленные на создание деталей с улучшенными функциональными возможностями за счет геометрических модификаций их конструкции [8]. Преимуществом интеллектуального проектирования геометрической структуры материала изделия также является способность обеспечения его новых функциональных возможностей. Например, намеренно повышая пластичность материала, можно использовать его свойства для повышения упругости детали [9].

В настоящем исследовании изучались напряженно-деформированные состояния метаматериалов с различными геометрическими конфигурациями, которые могут быть изготовлены по технологии 3D-печати и применяться для замены стандартных материалов деталей сельскохозяйственных машин и оборудования [10]. Была проведена серия численных экспериментов посредством системы автоматизированного проектирования и инженерного анализа.

Цель

Основной целью исследования являлся анализ влияния геометрической конфигурации метаматериалов на их механические свойства с целью разработки материалов для деталей сельскохозяйственной техники, обеспечивающих повышенную прочность и устойчивость к деформациям.

Методы

В данной статье рассмотрены структуры материалов, состоящие из правильных и неправильных восьмиугольников (Рисунок 1). Данные структуры имеют определенное преимущество над другими геометрическими формами ячеек метаматериала благодаря своей способности создавать мозаичную структуру без зазоров. Для формирования пространственной структуры метаматериала были использованы элементы различной толщины (0,25, 0,5, 0,75 и 1 мм). Толщина ячеек была подобрана таким образом, чтобы соответствовать размерам распространенных сопел для 3D-принтеров, основанных на технологии FDM (от 0,25 мм до 1 мм), для обеспечения возможности изготовления образцов метаматериалов с рассматриваемой структурой и дальнейшего проведения натурных экспериментов.

Размеры ячеек были подобраны таким образом, чтобы они занимали площадь 40х40 мм. Для создания сеток 4х4, 5х5, 8х8 и 10х10 на поверхности 40х40 мм были выбраны четыре базовых размера, применимых к обоим типам исследуемых элементарных ячеек.

Основная цель данного исследования – изучить, как неправильные формы элементарных восьмиугольных ячеек влияют на механические свойства метаматериалов при различных условиях нагружения по сравнению с правильными формами.

Применение в структуре материала ячеек с формой правильных восьмиугольников не позволяет полностью покрыть заданную площадь и приводит к образованию малых квадратов. Напротив, преимуществом ячеек с формой неправильных восьмиугольников является полное покрытие заданной площади без образования малых геометрических элементов на стыках ячеек.

Имитационные модели были выполнены с использованием системы автоматизированного проектирования и инженерного анализа SolidWorks Simulation. Во всех моделях были применены одинаковые граничные условия. К каждой модели была приложена равномерная нагрузка в 10 Н, при этом были зафиксированы деформации. В качестве допущения при малых нагрузках и деформациях предполагалось линейное поведение материала. Расчеты напряжений были выполнены по условию пластичности фон Мизеса.

Данные допущения и условия обеспечили стандартизированный подход к моделированию и анализу поведения моделей структур материалов при заданных нагрузках.

Процесс моделирования состоял из следующих этапов:

1. Были разработаны 64 имитационных модели с различными параметрами их структуры (варьировались форма ячейки, размеры и толщина). В качестве материала задан распространенный для 3D-печати материал акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), механические свойства которого приведены в таблице 1.
2. Для каждой имитационной модели задавались параметры плоской двумерной стандартной сетки с размерами элементов от 0,02 до 0,7 мм.
3. Для каждой имитационной модели было проведено численное моделирование статического нагружения (Рисунок 3) и получены результаты, которые были затем проанализированы.

Модель метаматериала представляет собой квадрат размером 40х40 мм, состоящий из базовых ячеек, имеющих форму правильных и неправильных восьмиугольников. Модель метаматериала расположена между двумя параллельными пластинами из абсолютно жесткого материала, одна из которых является опорной («зафиксированная геометрия»), а ко второй в нормальном направлении прикладывается сжимающая нагрузка (Рисунок 2).

Результаты

Полученные данные о напряжениях, перемещениях и деформациях под заданной нагрузкой для каждой модели были проанализированы. По результатам проведения исследований максимальные напряжения, наблюдаемые в каждом случае, не превышали предел прочности заданного материала ABS.

Визуальное представление результатов моделирования различных структур метаматериала представлено на Рисунке 3 (рисунок 3а – модель структуры, состоящая из ячеек с формой правильного восьмиугольника, сжимаемая в продольном направлении,  рисунок 3б – модель структуры, состоящая из ячеек с формой правильного восьмиугольника, сжимаемая в поперечном направлении, рисунок 3с – модель структуры, состоящая из ячеек с формой неправильного восьмиугольника, сжимаемая в продольном направлении,  рисунок 3д – модель структуры, состоящая из ячеек с формой неправильного восьмиугольника, сжимаемая в поперечном направлении).

Обсуждение

Анализ перемещений выявил наибольшие деформации при исследовании структуры с базовыми ячейками, имеющими наименьшую толщину стенки (0,25 мм), что подчеркивает существенное влияние толщины стенок ячейки на механические свойства метаматериала.

Были получены графики зависимости коэффициентов смещения от толщины стенки ячейки для различных размеров и форм исследуемых ячеек. На рисунке 4 в качестве примера представлен такой график для модели структуры метаматериала, состоящей из ячеек с формой правильного восьмиугольника, сжимаемой в продольном направлении. По мере увеличения толщины и количества базовых ячеек различия в коэффициентах смещения приближались к единице. Данная особенность позволяет точно задавать такие механические свойства метаматериала, как жесткость и прочность, что позволяет создавать метаматериалы с учетом особенностей их эксплуатации.

неизменным.

Заключение

Результаты исследования подчеркивают роль внутренней структуры при определении механических свойств метаматериала и могут быть использованы при проектировании структуры метаматериалов для перспективных деталей машин и оборудования. Будущие исследования будут посвящены изучению структурных особенностей метаматериалов и их практическому применению для совершенствования конструкций деталей сельскохозяйственных машин и оборудования.

Дополнительная информация

ВКЛАД АВТОРОВ. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ. Данная статья подготовлена в рамках выполнения 1-го этапа научно-исследовательской работы, реализуемой за счет средств федерального бюджета (источник финансирования – Минобрнауки РФ) по теме: «Разработка научных, методологических и практических основ реверсивного инжиниринга для решения комплексных задач импортозамещения в агропромышленном комплексе Российской Федерации» (шифр научной темы FZNW-2024-0026).

Таблица 1 Механические характеристики моделируемого материала

Table 1 Mechanical characteristics of the modelled material

№ п/п	Характеристика	Значение
1	Материал	ABS-пластик
2	Предел текучести, Мпа	30
3	Прочность на разрыв, Мпа	40
4	Модуль упругости, Мпа	2000
5	Коэффициент Пуассона	0,3
6	Массовая плотность, кг/м3	1020

Рис. 1. Исследуемые метаматериалы: а) структура; б) форма ячейки

Рис. 2. Различные типы моделей для имитационного моделирования

Рис. 3. Моделирование статического нагружения исследуемых структур метаматериалов, сжимаемых в продольном и поперечном направлениях: а) и б) с ячейками формы правильного восьмиугольника; с) и д) с ячейками формы неправильного восьмиугольника

 

Об авторах

Илья Сергеевич Нефёлов

Государственный университет управления

Email: iljanefelov@yandex.ru
SPIN-код: 6972-3967

к.т.н., Научный сотрудник Лаборатории реверсивного инжиниринга

Россия, 109542, Москва, Рязанский проспект, 99

Владимир Викторович Филатов

Государственный университет управления

Автор, ответственный за переписку.
Email: 2vfilatov@gmail.com
SPIN-код: 2897-2925

к.т.н., Ведущий научный сотрудник Лаборатории реверсивного инжиниринга

Россия, 109542, Москва, Рязанский проспект, 99

Дмитрий Юрьевич Малахов

Государственный университет управления

Email: malahow_dm@mail.ru
SPIN-код: 3578-5244

к.т.н., Научный сотрудник Лаборатории реверсивного инжиниринга

Россия, 109542, Москва, Рязанский проспект, 99

Список литературы

Дополнительные файлы