ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 691.7
DOI: 10.18503/1995-2732-2025-23-1-170-177
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы). Одной из стратегий достижения высоких механических характеристик при проектировании материалов является разработка самозаклинивающихся структур. Самозаклинивающиеся структуры представляют собой сборки взаимосвязанных строительных блоков, которые удерживаются вместе исключительно за счет контакта и трения на границах блоков и, таким образом, не требуют каких-либо соединительных элементов. Эта особенность делает их энергопоглощающими, устойчивыми к распространению трещин, универсальными и пригодными для повторного использования. Особенный практический интерес представляет разработка многослойных самозаклинивающихся конструкций. Предложена сборная многослойная конструкция из усеченных кубов, предназначенная для использования в качестве деталей оборудования и элементов строительства. Цель работы. Целью настоящей работы является изучение механического поведения многослойной самозаклинивающейся конструкции из усеченных кубов, ее структурной устойчивости и характеристик энергопоглощения. Используемые методы. С помощью разработанной конечно-элементной 3D-модели изучены механические характеристики самозаклинивающейся структуры из стали Х18Н9Т. Новизна. В исследовании предлагается новая самозаклинивающаяся конструкция из усеченных кубов. Результат. Проведено параметрическое исследование влияния коэффициента трения на реакцию сборки при квазистатическом нагружении трехслойной самозаклинивающейся структуры из усеченных кубов. Построены диаграммы квазистатического нагружения сборки при различных значениях коэффициента трения. Исследована структура сборки и распределение напряжений Мизеса на различных этапах деформации. Получены зависимости пиковой нагрузки и поглощаемой энергии от коэффициента трения. Практическая значимость. Результаты исследования позволяют проектировать энергопоглощающие материалы для различных строительных конструкций, в том числе берегозащитных сооружений, а также повышения виброустойчивости несущих колонн.
Ключевые слова
самозаклинивающиеся структуры, топологически взаимосвязанные материалы, деформация, моделирование, метод конечных элементов, жесткость, сталь
Для цитирования
Моделирование квазистатического нагружения многослойной самозаклинивающейся структуры на основе усеченных кубов / Пивоварова К.Г., Песина С.А., Белов А.Я., Пивоваров Ф.В., Могильных А.Е. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2025. Т. 23. №1. С. 170-177. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2025-23-1-170-177
1. Estrin Y., Krishnamurthy V.R., Akleman E. Design of architectured materials based on topological and geometrical interlocking // Journal of Materials Research and Technology. 2021, no. 15, pp. 1165-1178.
2. Применение самозаклинивающихся структур: демонстрация концепции на основе КЭ-моделирования / Д.В. Константинов, С.В. Матвеев, А.М. Песин и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. № 1. С. 93-99. DOI:10.18503/19952732-2023-21-1-93-99
3. Моделирование процесса изгиба сталеалюминиевого композита с волнообразной границей раздела / К.Г. Пивоварова, С.В. Матвеев, С.А. Песина и др. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2023. Т. 21. № 4. C. 138-145.
4. Scaling, saturation, and upper bounds in the failure of topologically interlocked structures / Feldfogel S., Karapiperis K., Andrade J., Kammer D.S. // International Journal of Solids and Structures. 2023, no. 269, 112228.
5. Transverse loading of cellular topologically interlocked materials / Khandelwal S., Siegmund T., Cipra R.J., Bolton J.S. // International Journal of Solids and Structures. 2012, no. 49(18), pp. 2394-2403.
6. Synergistic strengthening in interlocking metasurfaces / Young B., Bolmin O., Boyce B., Noell P. // Materials & Design. 2023, no. 227, 111798.
7. Пиирайнен В.Ю., Эстрин Ю.З. Топологическое самозаклинивание как принцип инженерного дизайна при строительстве морских и прибрежных сооружений // Записки Горного института. 2017. Т. 226. С. 480-486.
8. Римшин В. И., Кришан А. Л., Астафьева М. А. Самозаклинивающиеся элементы в трубобетонных колоннах // Academia. Архитектура и строительство. 2023. № 3. С. 140-148.
9. Estrin Y., Dyskin A. V., Pasternak E. Topological interlocking as a material design concept // Materials Science and Engineering. 2011, vol. 31, no. 6, pp. 1189-1194.
10. Toughness by segmentation: Fabrication, testing and micromechanics of architectured ceramic panels for impact applications / Mirkhalaf M., Sunesara A., Ashrafib B., Barthelat F. // International Journal of Solids and Structures. 2019, no. 158, pp. 52-65.
11. Accelerated design of architectured ceramics with tunable thermal resistance via a hybrid machine learning and finite element approach / Fatehi E., Sarvestani H.Y., Ashrafi B., Akbarzadeh A.H. // Materials & Design. 2021, no. 210, 110056.
12. Kim D.Y., Siegmund T. Mechanics and design of topologically interlocked irregular quadrilateral tessellations // Materials & Design. 2021, no. 212, 110155.
13. Пат. 2798518 Российская Федерация, МПК E04B 1/00 B32B 3/00. Многослойная конструкция для использования в качестве деталей оборудования и строительных элементов / А.М. Песин, Д.О. Пустовойтов, Н.М. Локотунина, К.Г. Пивоварова, Д.Л. Певницкий, Д.В. Константинов, С.В. Пыхтунова, Ю.В. Короткова, И.А. Песин, Л.В. Носов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова»; заявл. 14.12.2022; опубл. 23.06.2023.
14. Пат. 2813412 Российская Федерация, МПК B32B 3/00 E04B 1/00. Сборная многослойная конструкция для использования в качестве деталей оборудования и элементов строительства / А.Я. Белов, К.Г. Пивоварова, Н.М. Локотунина, Д.Л. Певницкий, Ф.К. Нилов, С.С. Полозков, А.А. Шамсутдинов, Д.А. Завадский, Д.И. Сорокина, А.В. Сайгак, В.В. Воробьев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова»; заявл. 08.12.2023; опубл. 12.02.2024.
15. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.