Výpočtová analýza aplikačního potenciálu auxetických struktur v absorbérech nárazu

Abstract

Tato práce se zabývá analýzou aplikačního potenciálu auxetických materiálů v oblasti tlumení nárazu (absorpce kinetické energie dopadajícího tělesa). Tyto materiály se díky své buněčné struktuře a specifické geometrii vyznačují záporným Poissonovým poměrem, čili jsou schopny při tlakovém namáhání v podélném směru zmenšit svůj příčný rozměr. Záměrem práce je tedy tuto zajímavou vlastnost pro absorpci kinetické energie využít. Po úvodní části, věnující se teoretickému základu a rešerši z oblasti auxetických struktur, je detailně popsán vytvořený výpočtový numerický model založený na metodě konečných prvků, jehož úkolem je studovat mechanickou odezvu auxetické i konvenční buněčné struktury na rychle dopadající těleso. K numerickému simulování rychlých dějů je využit explicitní řešič v komerčním softwaru LS-DYNA. Výsledky provedených analýz slouží jednak k vzájemnému srovnání auxetických a konvenčních struktur a kvantifikaci rozdílů v jejich schopnostech efektivně a šetrně utlumit kinetickou energii dopadajícího tělesa a dále také k demonstraci vlivu jednotlivých geometrických či materiálových parametrů na útlum nárazu. V závěru práce jsou numerické simulace konfrontovány s dostupnými experimenty s cílem ověřit vypovídací hodnotu výpočtových modelů a v diskusi poukázat na aplikační potenciál auxetických struktur. Dále jsou uvedena i dílčí doporučení pro jejich návrh tak, aby co nejlépe sloužily ke stanovanému účelu.

Master thesis deals with the analysis of the application potential of auxetic materials in the field of shock absorption (absorption of impact energy). Due to their cellular structure and specific geometry, these materials are characterized by a negative Poisson’s ratio, which means that they are able to reduce their transverse dimension under compressive stress in the longitudinal direction. The aim of this work is to use this interesting property for the absorption of kinetic energy. After the introduction, devoted to the theoretical basis and research in the field of auxetic structures, a numerical FEM model is described in detail. The task of the model is to study the mechanical response of auxetic and conventional cellular structure to an impact loading. An explicit solver in the commercial software LS-DYNA is used to numerically simulate fast processes. The results of the analyses are used to compare auxetic and conventional structures and quantify the differences in their ability to dampen the kinetic energy of the impact effectively and gently. It also serves to demonstrate the influence of individual geometric or material parameters on impact attenuation. At the end of the work, numerical simulations are confronted with available experiments in order to verify the informative value of computational models and to point out the application potential of auxetic structures in the discussion. There are also partial recommendations for their design so that they best serve the intended purpose.