Il presente lavoro descrive la progettazione e validazione sperimentale di uno nuovo metamateriale auxetico tridimensionale (3D) ad elementi rigidi rotanti. I metamateriali auxetici sono strutture di origine artificiale che possiedono un valore del coefficiente di Poisson negativo. Tali strutture presentano proprietà meccaniche estreme e funzionalizzate che dipendono dalla loro peculiare architettura e dalle proprietà elastiche del materiale con le quali vengono realizzate. Le loro funzionalità avanzate non si limitano al solo coefficiente di Poisson negativo, ma includono, tra le altre, un’elevata rigidezza a taglio e resistenza a rottura. I metamateriali auxetici comprendono i sistemi rotanti, le strutture chirali, le strutture rientranti e le strutture pieghevoli. Nello specifico, le strutture ad elementi rotanti consistono di unità rigide collegate tramite elementi cedevoli (equivalenti a cerniere), ordinate secondo una specifica distribuzione topologica. Nel caso di architetture piane (2D), queste sono formate da quadrati, triangoli, rombi, parallelogrammi e da figure a forma irregolare. Analogamente, le strutture rotanti 3D possono essere progettate utilizzando l’elemento base di una geometria piana, realizzando così un metamateriale tridimensionale in grado di manifestare un comportamento auxetico. In questo lavoro viene presentato un originale metamateriale auxetico a poliedri rigidi rotanti. La cella elementare della soluzione proposta è formata da otto prismi a base triangolare, collegati mediante i loro vertici. Tre sono le fasi del lavoro: analisi cinematica, convalida sperimentale e analisi strutturale. In particolare, l’analisi cinematica, svolta su modelli solidi 3D della struttura, ha permesso di valutare la risposta cinematica del metamateriale per differenti configurazioni geometriche della cella elementare: la struttura presenta un comportamento anisotropo ed un’elevata risposta auxetica. Al fine di convalidare questi risultati, sono stati realizzati in stampa 3D con materiale Onyx, i prototipi delle geometrie più promettenti. Queste consistono di unità a poliedri semi-rigidi collegati tramite legamenti di forma variabile: le prove di caratterizzazione svolte hanno confermato valori del coefficiente di Poisson negativi fino ad un minimo di -1.2. Le analisi agli elementi finiti (EF) della struttura hanno confermato i risultati sperimentali, sia relativamente al coefficiente di Poisson, sia relativamente alle proprietà elastiche. In conclusione, il metamateriale proposto si distingue per un evidente comportamento auxetico, calibrabile in funzione della specifica geometria della cella elementare che compone il sistema e permette quindi realizzare nuove architetture auxetiche tridimensionali.
Metamateriale auxetico a strutture poliedriche rigide rotanti / Sorrentino, A.; Castagnetti, D.. - (2022). (Intervento presentato al convegno 51° Convegno Nazionale AIAS tenutosi a Padova nel Settembre 2022).
Metamateriale auxetico a strutture poliedriche rigide rotanti
A. Sorrentino
;D. Castagnetti
2022
Abstract
Il presente lavoro descrive la progettazione e validazione sperimentale di uno nuovo metamateriale auxetico tridimensionale (3D) ad elementi rigidi rotanti. I metamateriali auxetici sono strutture di origine artificiale che possiedono un valore del coefficiente di Poisson negativo. Tali strutture presentano proprietà meccaniche estreme e funzionalizzate che dipendono dalla loro peculiare architettura e dalle proprietà elastiche del materiale con le quali vengono realizzate. Le loro funzionalità avanzate non si limitano al solo coefficiente di Poisson negativo, ma includono, tra le altre, un’elevata rigidezza a taglio e resistenza a rottura. I metamateriali auxetici comprendono i sistemi rotanti, le strutture chirali, le strutture rientranti e le strutture pieghevoli. Nello specifico, le strutture ad elementi rotanti consistono di unità rigide collegate tramite elementi cedevoli (equivalenti a cerniere), ordinate secondo una specifica distribuzione topologica. Nel caso di architetture piane (2D), queste sono formate da quadrati, triangoli, rombi, parallelogrammi e da figure a forma irregolare. Analogamente, le strutture rotanti 3D possono essere progettate utilizzando l’elemento base di una geometria piana, realizzando così un metamateriale tridimensionale in grado di manifestare un comportamento auxetico. In questo lavoro viene presentato un originale metamateriale auxetico a poliedri rigidi rotanti. La cella elementare della soluzione proposta è formata da otto prismi a base triangolare, collegati mediante i loro vertici. Tre sono le fasi del lavoro: analisi cinematica, convalida sperimentale e analisi strutturale. In particolare, l’analisi cinematica, svolta su modelli solidi 3D della struttura, ha permesso di valutare la risposta cinematica del metamateriale per differenti configurazioni geometriche della cella elementare: la struttura presenta un comportamento anisotropo ed un’elevata risposta auxetica. Al fine di convalidare questi risultati, sono stati realizzati in stampa 3D con materiale Onyx, i prototipi delle geometrie più promettenti. Queste consistono di unità a poliedri semi-rigidi collegati tramite legamenti di forma variabile: le prove di caratterizzazione svolte hanno confermato valori del coefficiente di Poisson negativi fino ad un minimo di -1.2. Le analisi agli elementi finiti (EF) della struttura hanno confermato i risultati sperimentali, sia relativamente al coefficiente di Poisson, sia relativamente alle proprietà elastiche. In conclusione, il metamateriale proposto si distingue per un evidente comportamento auxetico, calibrabile in funzione della specifica geometria della cella elementare che compone il sistema e permette quindi realizzare nuove architetture auxetiche tridimensionali.
Pubblicazioni consigliate
I metadati presenti in IRIS UNIMORE sono rilasciati con licenza Creative Commons CC0 1.0 Universal, mentre i file delle pubblicazioni sono rilasciati con licenza Attribuzione 4.0 Internazionale (CC BY 4.0), salvo diversa indicazione.
In caso di violazione di copyright, contattare Supporto Iris
