In this paper, stability analysis of sandwich toroidal shell segments (TSSs) with carbon nanotube (CNT)-reinforced face sheets featuring various types of auxetic cores, surrounded by elastic foundations under radial pressure is presented. Two distinct types of auxetic structures are considered for the core, including re-entrant auxetic structure and graphene origami (GOri)-enabled auxetic structure. The nonlinear stability equilibrium equations of the longitudinally shallow shells are formulated using the von Karman shell theory, in conjunction with Stein and McElman approximation while considering Winkler-Pasternak's elastic foundation to simulate the interaction between the shell and elastic foundation. The Galerkin method is employed to derive the nonlinear stability responses of the shells. The numerical investigations show the influences of various types of auxetic-core layers, CNT-reinforced face sheets, as well as elastic foundation on the stability of sandwich shells.
An auxetic structure with negative Poisson's ratio exhibits distinctive mechanical properties in contrast to conventional structures, garnering interest in various fields. However, current research has predominantly focused on the design and optimization of auxetic structures, with limited exploration of their practical applications. In this study, we utilized 3D printing technology to fabricate a soft auxetic structure with triangular shaped perforations, examining the mechanical properties based on geometric structure. Additionally, by inserting shape memory alloys into the fabricated soft auxetic structure, we achieved active two-dimensional deformations and confirmed its selective object permeability. This technology holds the potential to have far-reaching implications across a broad spectrum of industries.
This study investigates the viability of using a Na-ion battery with a tin(Sn) anode to mitigate the vulnerability caused by volume changes during discharge and charge cycling. In general, the volume changes of carbon material do not cause any instability during intercalation into its layer structure. Sn has a high theoretical capacity of $847mAh\;g^{-1}$. However, it expands dramatically in the discharge process by alloying Na-Sn, placing the electrode under massive internal stress, and particularly straining the binder over the elastic limit. The repeating strain results in loss of active material and its electric contact, as well as capacity decrease. This paper expands the scope of fabrication of Na-ion batteries with Sn by fabricating the binder as an auxetic structure with a unique feature: a negative Poisson ratio (NPR), which increases the resistance to internal stress in the Na-Sn alloying/de-alloying processes. Electrochemical tests and micrograph images of auxetic and common binders are used to compare dimensional and structural differences. Results show that the capacity of an auxetic-structured Sn electrode is much larger than that of a Sn electrode with a common-structured binder. Furthermore, using an auxetic structured Sn electrode, stability in discharge and charge cycling is obtained.
Auxetic material is a material which has negative Poisson's ratio(NPR). Auxetic material shows some distinctive property like high energy absorbing property and high shear modulus. Among these, synclastic curvature is very interesting characteristic. When synclastic-curvature-material bends, it changes its shape like dome, contrary to non-auxetic material which changes its shape like saddle(anticlastic). This distinctive property could make it easy to manufacture curved structure like nose cone or wing panel in aerospace engineering. In this study, we studied a quantitative analysis about synclastic curvature of re-entrant panel with finite element model. We suggested a concept 'Degree of Synclasticity(DOS)', which means a ratio of curvature of load-direction and load-orthogonal direction. We studied the variation of DOS with two factor, unit cell inner angle(${\theta}$) and load position angle(${\phi}$). DOS decreases as ${\theta}$ increases because the unit cell goes out of auxetic-shape. As ${\phi}$ varies, DOS changes in a large range. So proper optimization of ${\phi}$ would be needed for application.
Kim, Gyu-Young;Kim, Soo-ho;Yun, Gi-Won;Kim, Hyun-Gyu
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.45
no.9
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pp.807-815
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2017
Auxetic structures with negative Poisson's ratio can be used to achieve high mechanical properties in energy absorption and destruction toughness. In this paper, we aim to design an auxetic structure which has a high negative Poisson's ratio and a stiffness over 50N/mm by using an optimization method. Length(L), thickness(t) and angle(${\theta}_1$, ${\theta}_2$) of an auxetic pyramid are the design parameters, and also stress, Poisson's ratio and stiffness are thr reaction factors. We used Box-Behnken method and conducted 4 factors - 3 levels experiment design. Finite element models are analyzed by using Edison program CSD_EPLAST.
Auxetic is a structure that behave as negative Poisson's ratio. It is known for high mechanical property like energy absorption and destruction toughness so far. In this paper, we aimed to design auxetic structure which has small internal energy when force is applied and high NPR and over 50N/mm stiffness by using optimization method. We defined length(L), thickness(t), angle(${\theta}_1$, ${\theta}_2$) as design factors and also von-Mises stress, NPR, stiffness as reaction factors. We used Box-Behnken method and conducted 4factors - 3levels experiment design. We also analyzed each models by using CSD_EPLAST, Edison program, and did extra analysis for more accurate results. Finally, we found out the optimal design factors which is satisfied aimed value and increased reliability through factor analysis and validity verification.
An airless tire has advantages over the conventional pneumatic tire in terms of flat proof and maintenance free. According to the recently disclosed inventions on the airless tire, non-pneumatic tire (NPT) consists of the flexible polygon spokes. Considering the NPT structure, the spokes undergo the tension-compression cyclic loading while the tire rolls. Therefore the spokes of NPT are required to have both stiffness and resilience under the cyclic tensile-compressible loading. In general, if a material has a high stiffness, it shows a low elastic strain limit. In this paper, using the auxetic honeycomb structure with negative poissons's ratio, the spokes of NPT tire are designed to have both stiffness and resilience. Finite element based numerical simulation of the contact pressure of a NPT is carried out with ABAQUS.
This study proposes to develop a 3D printed re-entrant(RE) strip by shape memory thermoplastic polyurethane that can be deformed and recovered by thermal stimulation. The most suitable 3D printing infill density condition and temperature condition during shape recovery for mechanical behavior were confirmed. As the poisson's ratio indicated, the higher the recovery temperature, the closer the poisson's ratio to zero and the better the auxetic properties. After recovery testing for five minutes, it appeared that the shape recovery ratio was the highest at 70℃. The temperature range when the shape recovery ratio appeared to be more than 90% was a recovery temperature of more than 50℃ and 60℃ when deformed under a constant load of 100 gf and 300 gf, respectively. This indicated that further deformation occurred after maximum recovery when recovered at a temperature of 80℃, which is above the glass transition temperature range. As for REstrip by infill density, a shape recovery properties of 100% was superior than 50%. Additionally, as the re-entrant structure exhibited a shape recovery ratio of more than 90%, and exhibited auxetic properties. It was confirmed that the infill density condition of 100% and the temperature condition of 70℃ are suitable for REstrips for applying the actuator.
푸아송비(poisson's ratio)는 종방향 변형률에 대한 횡방향 변형률의 비로, 우리 주위 대부분의 재료들은 양의 푸아송비를 지닌다. 그러나 재료가 특정한 격자구조를 이루도록 설계할 경우 구성물질이 양의 푸아송비를 가지더라도 거시적으로는 음의 푸아송비를 구현할 수 있으며, 이러한 극한물성물질(metamaterial)을 오그제틱 물질(auxetic material)이라고 부른다. 이전까지 오그제틱 물질을 구현하기 위한 많은 메커니즘들이 개발되고 역학적, 수치적으로 해석되어 왔다. 이 논문에서는 가장 대표적인 오그제틱 구조인 리엔트런트(re-entrant) 오그제틱 구조를 빔 구조물로 모델링하여 유한요소해석을 수행하고 주요 설계 변수인 리엔트런트 각에 따라서 푸아송비와 유효 탄성계수가 어떻게 변화하는지 확인하였다.
This paper aims to investigate 4D printing materials for soft robots. 4D printing is a targeted evolution of the 3D printed structure in shape, property, and functionality. It is capable of self-assembly, multi-functionality, and self-repair. In addition, it is time-dependent, printer-independent, and predictable. The shape-shifting behaviors considered in 4D printing include folding, bending, twisting, linear or nonlinear expansion/contraction, surface curling, and generating surface topographical features. The shapes can shift from 1D to 1D, 1D to 2D, 2D to 2D, 1D to 3D, 2D to 3D, and 3D to 3D. In the 4D printing auxetic structure, the kinetiX is a cellular-based material design composed of rigid plates and elastic hinges. In pneumatic auxetics based on the kirigami structure, an inverse optimization method for designing and fabricating morphs three-dimensional shapes out of patterns laid out flat. When 4D printing material is molded into a deformable 3D structure, it can be applied to the exoskeleton material of soft robots such as upper and lower limbs, fingers, hands, toes, and feet. Research on 4D printing materials for soft robots is essential in developing smart clothing for healthcare in the textile and fashion industry.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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