О влиянии вязкого заполнителя на сопротивление пробиванию ударником гибких метаматериалов с ауксетическими свойствами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Экспериментально исследовались свойства гибких метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона (с ауксетической структурой на основе ячейки в виде вогнутого шестиугольника) сопротивляться пробиванию по нормали жестким сферическим ударником. Образцы с хиральной структурой, изготовленные с помощью 3D-принтера из термопластичного полиуретана (TPU 95A пластика), с заполнением ячеек воздухом или желатином сравнивались по способности снижать кинетическую энергию ударников. Эксперименты проводились для двух скоростных режимов. Установлено, что заполнение желатином ауксетических хиральных образцов из TPU 95A пластика (в отличие от исследованных ранее жестких метаматериалов на основе e-PLA пластика) не приводит к усилению защитных свойств. По результатам проведенных экспериментов для двух скоростных режимов самыми эффективными по сопротивлению пробиванию ударником оказались гибкие и легкие образцы из термопластичного полиуретана, заполненные воздухом.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Ю. Иванова

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

К. Ю. Осипенко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Н. В. Баничук

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Д. С. Лисовенко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Lim T.-C. Auxetic Materials and Structures. Singapore: Springer, 2015. https://doi.org/10.1007/978-981-287-275-3
  2. Kolken H.M.A., Zadpoor A.A. Auxetic Mechanical Metamaterials // RSC Adv. 2017. V. 7. № 9. P. 5111–5129. https://doi.org/10.1039/C6RA27333E
  3. Ren X., Das R., Tran P., et al. Auxetic Metamaterials and Structures: A Review // Smart Mater. Struct. 2018. V. 27. № 2. P. 023001. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaa61c
  4. Wu W., Hu W., Qian G., et al. Mechanical design and multifunctional applications of chiral mechanical metamaterials: A review // Mater. Des. 2019. V. 180. P. 107950. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107950
  5. Городцов В.А., Лисовенко Д.С. Ауксетики среди материалов с кубической анизотропией // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 7–24. https://doi.org/10.31857/S0572329920040054
  6. Шитикова М.В. Обзор вязкоупругих моделей с операторами дробного порядка, используемых в динамических задачах механики твердого тела // Изв. РАН. МТТ. 2022. № 1. С. 3–40. https://doi.org/10.31857/S0572329921060118
  7. Novak N., Vesenjak M., Ren Z. Auxetic cellular materials-a review // Strojniški vestnik – Journal of Mechanical Engineering. 2016. V. 62. № 9. P. 485–493. https://doi.org/10.5545/sv-jme.2016.3656
  8. Kelkar P.U., Kim H.S., Cho K.-H., et. al. Cellular Auxetic Structures for Mechanical Metamaterials: A Review // Sensors. 2020. V. 20. № 11. P. 3132. https://doi.org/10.3390/s20113132
  9. Joseph A., Manesh V., Harursampath D. On the application of additive manufacturing methods for auxetic structures: A review // Adv. Manuf. 2021. V. 9. № 3. P. 342–368. https://doi.org/10.1007/s40436-021-00357-y
  10. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Кузнецов В.А., Соловьев Н.Г., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Экспериментальное исследование свойств ауксетических и неауксетических метаматериалов из металла при проникании в них жестких ударников // Изв. РАН. МТТ. 2023. № 2. С. 176–180. https://doi.org/10.31857/S0572329922600773
  11. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Демин А.И., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Изучение свойств метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона при пробивании жестким ударником // Изв. РАН. МТТ. 2023. № 5. С. 120–130. https://doi.org/10.31857/S0572329923600366
  12. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Экспериментальное исследование свойств метаматериалов на основе PLA пластика при пробивании жестким ударником // Изв. РАН. МТТ. 2024. № 4. С. 207–215. http://dx.doi.org/10.31857/S1026351924060114
  13. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Investigation of the effect of a viscous filler on the punching process of auxetic and non-auxetic metamaterials // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 7. P. 3727–3734. https://doi.org/10.1134/S0025654424606633
  14. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Исследование влияния вязкого заполнителя на механические свойства метаматериалов с отрицательным и положительным коэффициентом Пуассона при пробивании жестким ударником // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2024. № 4 (62). С. 62–75. https://doi.org/10.37972/chgpu.2024.62.4.005 EDN: SFQXCI
  15. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Влияние температуры метаматериалов на основе гибкого пластика TPU 95A на сопротивление пробиванию жестким ударником // Изв. РАН. МТТ. 2025. № 1. С. 197–208. http://dx.doi.org/10.31857/S1026351925010108
  16. Gao Y., Huang H. Energy absorption and gradient of hybrid honeycomb structure with negative Poisson’s ratio // Mech. Solids. 2022. V. 57. № 5. P. 1118–1133. https://doi.org/10.3103/S0025654422050053
  17. Хing Y., Deng B., Cao M. et al. Influence of structural and morphological variations in orthogonal trapezoidal aluminum honeycomb on quasi-static mechanical properties // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 1. P. 445–458. https://doi.org/10.1134/S0025654423602550
  18. Скрипняк В.В., Чирков М.О., Скрипняк В.А. Моделирование механической реакции ауксетических метаматериалов на динамические воздействия // Вестник ПНИПУ. Механика. 2021. № 2. C. 144–152. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2021.2.13
  19. Imbalzano G., Tran P., Lee P.V.S. et. al. Influences of material and geometry in the performance of auxetic composite structure under blast loading // Appl. Mech. Mater. 2016. V. 846. P. 476–481. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.846.476
  20. Zhao X., Gao Q., Wang L. et. al. Dynamic crushing of double-arrowed auxetic structure un-der impact loading // Mater. Des. 2018. V. 160. P. 527–537. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.09.041
  21. Li C., Shen H.S., Wang H. Nonlinear dynamic response of sandwich plates with functionally graded auxetic 3D lattice core // Nonlinear Dyn. 2020. V. 100. P. 3235–3252. https://doi.org/10.1007/s11071-020-05686-4
  22. Qiao J.X., Chen C.Q. Impact resistance of uniform and functionally graded auxetic double arrowhead honeycombs // Inter. J. Impact Eng. 2015. V. 83. P. 47–58. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2015.04.005
  23. Novak N., Starcevic L., Vesenjak M. et. al. Blast response study of the sandwich composite panels with 3D chiral auxetic core // Compos. Struct. 2019. V. 210. P. 167–178. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.11.050
  24. Yu Y., Fu T., Wang S., Yang C. Dynamic response of novel sandwich structures with 3D sinusoid-parallel-hybrid honeycomb auxetic cores: The cores based on negative Poisson’s ratio of elastic jump // Eur. J. Mech. – A/Solids. 2025. V. 109. P. 105449. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2024.105449
  25. Shen Z.Y., Wen Y.K., Shen L.Y. et. al. Dynamic response and energy absorption characteristics of auxetic concave honeycomb pad for ballistic helmet under shock wave and bullet impact // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 5. P. 3050–3067. http://doi.org/10.1134/S0025654424605159
  26. Jiang Q., Hao B., Chen G. et. al. Analysis of the penetration ability of exponential bullets on TPMS structures with variable density // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 5. P. 3198–3211. http://doi.org/10.1134/S0025654424605640

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Ауксетический хиральный образец из термопластичного полиуретана TPU 95A: (а) 3D-модель: S = 6 мм, L = 3 мм, h = 0.4 мм, r = 0.8 мм; (b) заполнение желатином.

Скачать (430KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость относительной потери кинетической энергии d ударника от массы m образцов с желатином и воздухом для скорости входа ∼150 м/с: 1 – Ауксетик PLA с желатином; 2 – Ауксетик TPU 95A с желатином; 3 – Ауксетик PLA с воздухом; 4 – Ауксетик TPU 95A с воздухом.

Скачать (129KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость относительной потери кинетической энергии d ударника от массы m образцов с желатином и воздухом для скорости входа ∼190 м/с: 1 – Ауксетик PLA с желатином; 2 – Ауксетик TPU 95A с желатином; 3 – Ауксетик PLA с воздухом; 4 – Ауксетик TPU 95A с воздухом.

Скачать (129KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость относительной потери кинетической энергии d ударника от массы m образцов из TPU 95A с желатином и воздухом для скоростей входа ∼150 и 190 м/с: 1 – Ауксетик TPU 95A с желатином, скорость 190 м/с; 2 – Ауксетик TPU 95A с желатином, скорость 150 м/с; 3 – Ауксетик TPU 95A с воздухом, скорость 150 м/с; 4 – Ауксетик TPU 95A с воздухом, скорость 190 м/с.

Скачать (134KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость относительной потери кинетической энергии d ударника от массы m образцов из PLA с желатином и воздухом для скоростей входа ∼150 и 190 м/с: 1 – Ауксетик PLA с желатином, скорость 190 м/с; 2 – Ауксетик PLA с желатином, скорость 150 м/с; 3 – Ауксетик PLA с воздухом, скорость 150 м/с; 4 – Ауксетик PLA с воздухом, скорость 190 м/с.

Скачать (132KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Отклонение ударника вниз на вылете из образца (171/159).

Скачать (156KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025