ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 691.7
DOI: 10.18503/1995-2732-2024-22-1-156-165
Аннотация
Представляемая работа является продолжением ранее опубликованных исследований базовых закономерностей поведения самозаклинивающихся структур в различных условиях нагружения. На основе конечно-элементного компьютерного моделирования был проведен анализ напряженного состояния ряда самозаклинивающихся структур из кубических элементов. В программном комплексе конечно-элементного анализа SIMULIA Abaqus был проведен анализ способности самозаклинивающихся структур, состоящих из нескольких слоев, рассеивать точечную и объемную внешнюю нагрузку. Полученные результаты моделирования продемонстрировали широкий теоретический потенциал, ключевые ограничения применимости и основные паттерны распределения напряжений при использовании двух- и десятислойных конструкций из самозаклинивающихся структур. Продемонстрировано, что подобного рода конструкции отлично подходят для рассеивания распределенной по поверхности нагрузки, однако должны быть оценены с позиции рационального количества используемых слоев и элементов, так как при нагрузках определенной величины (и в ряде точек их прикладывания) отдельные слои не будут вовлечены в работу, но приведут к росту общего веса или усложнению конструкции. Также на основе результатов моделирования установлено, что при варьировании размеров элементов в отдельных слоях отдельное внимание должно быть уделено стабильности подобных конструкций, так как в ряде условий нагружения конструкция полностью разрушалась. В частности, в работе исследован случай двухслойной структуры с двукратной разницей в линейных размерах кубических элементов, в котором при нагружении со стороны более мелких элементов происходило неравномерное распределение напряжений и, как следствие, полное разрушение. Приведены первичные предварительные результаты применения сэндвич-панели, изготовленной с применением самозаклинивающейся структуры, позволяющей снизить локализованные значения контактных напряжений за счет увеличения площади контактного пятна вследствие внутреннего перераспределения напряжений. Анализ следов контактного давления на панели и на деформируемой с ее помощью заготовке показал, что на деформируемую заготовку попадает практически в два раза меньшее давление, но само пятно контакта больше и равномернее.
Ключевые слова
многослойные самозаклинивающиеся структуры, конечно-элементное моделирование, перераспределение нагрузки, комплексное нагружение, сэндвич-панели
Для цитирования
Константинов Д.В., Пивоварова К.Г., Песин А.М. Исследование напряженного состояния многослойных самозаклинивающихся структур из кубических элементов на основе конечно-элементного моделирования // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2024. Т. 22. №1. С. 156-165. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2024-22-1-156-165
1. Toughening by fragmentation – how topology helps / A.V. Dyskin, Y. Estrin, A.J. Kanel-Belov, E. Pasternak // Advanced Engineering Mater. 2001, vol. 3, pp. 885-888.
2. Topological interlocking of platonic solids: A way to new materials and structures / A.V. Dyskin, Y. Estrin, A.J. Kanel-Belov, E. Pasternak // Phil. Mag. Lett. 2003, vol. 83, pp. 197-203.
3. Fracture resistant structures based on topological interlocking with nonplanar contacts / A.V. Dyskin, Y. Estrin, E. Pasternak, H.C. Khor, A.J. Kanel-Belov // Advanced Engineering Mater. 2003, vol. 5, no. 3, pp. 116-119.
4. Канель-Белов А.Я. Самозаклинивающиеся структуры // Квант. Физико-математический журнал для школьников и студентов. 2009. Т. 1. C. 20-23.
5. The principle of topological interlocking in extraterrestrial construction / Dyskin A.V., Estrin Y., Pasternak E., Khor H.C., Kanel-Belov A.J. // Acta Astronautica. 2005, vol. 57, no. 1, pp. 10-21.
6. Topological interlocking of protective tiles for Space Shuttle / Y. Estrin, A.V. Dyskin, E. Pasternak, H.C. Khor, A.J. Kanel-Belov // Phil. Mag. Letters. 2003, vol. 83, pp. 351-355.
7. Interlocking properties of buckyballs / A.V. Dyskin, Y. Estrin, A.J. Kanel-Belov, E. Pasternak // Physics Letters A. 2003, vol. 319, pp. 373-378.
8. Deformation mechanics of non-planar topologically interlocked assemblies with structural hierarchy and varying geometry / L. Djumas, G.P. Simon, Y. Estrin et al. // Scientific Reports. 2017, vol. 7, no. 1, 11844. https://doi.org/10.1038/s41598-017-12147-3
9. Transverse loading of cellular topologically interlocked materials / S. Khandelwal, T. Siegmund, R.J. Cipra, J.S. Bolton // Int. J. Solids Struct. 2012, vol. 49, no. 18, pp. 2394-2403.
10. Adaptive mechanical properties of topologically interlocking material systems / S. Khandelwal, R.J. Cipra, J.S. Bolton, T. Siegmund // Smart Mater. Struct. 2015, vol. 24, no. 4, 045037.
11. Impact mechanics of topologically interlocked material assemblies / Y. Feng, T. Siegmund, E. Habtour, J. Riddick // Intl. J. Impact Eng. 2015, vol. 75, pp. 140-149.
12. Manufacture and mechanics of topologically interlocked material assemblies / T. Siegmund, F. Barthelat, R.J. Cipra, Ed. Habtour, J. Riddick // Applied Mechanics Reviews. 2016, vol. 68, no. 4, 041401-1.
13. Mather A., Cipra R.J., Siegmund T. Structural integrity during remanufacture of a topologically interlocked material // Int. J. Struct. Integr. 2012, vol. 3, no. 1, pp. 61-78.
14. Применение самозаклинивающихся структур: демонстрация концепции на основе КЭ-моделирова¬ния / Константинов Д.В., Матвеев С.В., Песин А.М., Корчунов А.Г., Пивоварова К.Г. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. №1. С. 93-99. DOI: 10.18503/1995-2732-2023-21-1-93-99