Mechanické vlastnosti auxetických struktur určené kvazi-statickými zkouškami

Abstract

Předkládaná bakalářská práce se zabývá vývojem experimentální metody pro studium deformačního chování auxetických struktur (porézních materiálů vykazujících záporné Poissonovo číslo) při kvazi-statickém zatěžování. Vzhledem k charakteru odezvy zkoumaných mikrostruktur na tlakové zatížení jsou mechanické charakteristiky odvozovány z vysoce přesného měření síly během experimentů a optického vyhodnocení deformace na povrchu vzorků s použitím metody digitální korelace obrazu (2D-DIC) se subpixelovou přesností. V práci byly zkoumány vzorky tří druhů auxetických mikrostruktur s analyticky dobře popsanou deformační odezvou a teoretickým průběhem Poissonovy funkce (závislosti Poissonova čísla na deformaci) v uspořádáních odpovídajících jak rovinnému, tak volumetrickému charakteru auxetických vlastností. Pro výrobu vzorků byl využit přímý 3D tisk metodou mnohatryskového modelování s vysokým rozlišením. Z naměřených dat byly s použitím vlastního softwarového nástroje vytvořeného v programovacím prostředí Matlab stanoveny závislosti skutečné napětí - skutečná deformace, Poissonovo číslo - skutečná deformace, poměrný Youngův modul pružnosti a hustota pohlcené deformační energie. Bylo ukázáno, že předkládaná metoda je vhodná pro studium mechanických vlastností auxetických materiálů na makroúrovni, což umožní verifikaci analytických a numerických optimalizačních procedur sloužících pro návrh auxetické mikrostruktury přizpůsobené pro konkrétní aplikaci.

This thesis deals with development of experimental method for invetigation of deformation behaviour of auxetic structures (porous solids with negative Poisson's ratio) subjected to quasi-static loading. Mechanical characteristics are derived from precise force measurement during experiments and optical evaluation of deformation on the samples' surface using digital image correlation method (2D-DIC) with sub-pixel accuracy. Samples of three different types of auxetic microstructures with analytically well defined Poisson's function (strain dependendant Poisson's ratio) were experimentally investigated. Arrangement of unit-cells in each structure was selected in order to achieve in-plane and volumetric auxetic characteristics. The samples were produced using high resolution multi-jet modelling method of direct 3D printing. From the measured data true stress - true strain and Poisson's ratio - true strain relationships together with values of relative Young's modulus and energy absorption capacity were established using custom-developed software tool created in Matlab programming enviroment. It was shown that the described method is suitable for investigation of mechanical properties of auxetic structures on macro-level. This enables verification of analytical and numerical optimization procedures used for design of auxetic microstructure according to intended application.