ON THE INFLUENCE OF CHIRALITY OF THE STRUCTURE OF AUXETIC METAMATERIALS ON THE RESISTANCE TO IMPACT PENETRATION

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The properties of metamaterials with negative Poisson’s ratio (with an auxetic structure based on a cell in the form of a concave hexagon) to resist penetration by a rigid spherical striker along the normal were experimentally studied. Using a 3D printer, samples of the same mass with a chiral and non-chiral structure were made from flexible thermoplastic polyurethane (TPU 95A plastic) and rigid e-PLA plastic, which were compared by the ability to reduce the kinetic energy of strikers at a speed of about 190 m /s. It was found that the chirality of the sample structure (for both TPU and PLA plastics) leads to an increase in their protective properties. However, when the sample structure was rotated by 90 degrees, the samples without chirality showed the best resistance to penetration. Based on the results of a series of experiments with TPU and PLA samples, the most effective in terms of resistance to penetration by a striker were auxetics made of thermoplastic polyurethane, with a non-chiral structure turned by 90 degrees.

About the authors

S. Y Ivanova

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, Russia

Email: lisovenk@ipmnet.ru

K. Y Osipenko

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, Russia

Email: lisovenk@ipmnet.ru

N. V Banichuk

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: lisovenk@ipmnet.ru

D. S Lisovenko

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS, Moscow, Russia

Email: lisovenk@ipmnet.ru

References

  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. Gorodtsov V.A., Lisovenko D.S. Auxetics among materials with cubic anisotropy // Mech. Solids. 2020. V. 55. № 4. P. 461–474. https://doi.org/10.3103/S0025654420040044
  6. Shitikova M.V. Fractional operator viscoelastic models in dynamic problems of mechanics of solids: A Review // Mech. Solids. 2022. V. 57. № 1. P. 1–33. https://doi.org/10.3103/S0025654422010022
  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. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Kuznetsov V.A., Solovyov N.G., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Experimental investigation of the properties of auxetic and non-auxetic metamaterials made of metal during penetration of rigid strikers // Mech. Solids. 2023. V. 58. № 2. P. 524–528. https://doi.org/10.3103/S0025654422601616
  11. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Demin A.I., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Studying the properties of metamaterials with a negative Poisson’s ratio when punched by a rigid impactor // Mech. Solids. 2023. V. 58. № 5. P. 1536–1544. https://doi.org/10.3103/S0025654423600897
  12. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Experimental study of the properties of metamaterials based on PLA plastic when perforated by a rigid striker // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 4. P. 207–215. https://doi.org/10.1134/S0025654424604695
  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. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Investigation of the effect of a viscous filler on the mechanical properties of metamaterials with negative and positive Poisson’s ratio when punching with a rigid impactor // Vestn. Chuvash. Gos. Ped. Univ. im. I.Ya. Yakovleva Ser.: Mekh. Pred. Sost. 2024. № 4 (62). P. 62–75. https://doi.org/10.37972/chgpu.2024.62.4.005
  15. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Temperature influence of metamaterials based on flexible TPU 95A plastic on resistance to penetration by a rigid striker // Mech. Solids. 2025. № 1. P. 197–208.
  16. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. On the effect of the viscous filler on the impact resistance of flexible metamaterials with auxetic properties // Mech. Solids. 2025. № 2. P.901–915. https://doi.org/0.1134/S0025654424607225
  17. 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
  18. 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
  19. Skripnyak V.V., Chirkov M.O., Skripnyak V.A. Modeling the mechanical response of auxetic metamaterials to dynamic effects // Vestn. PNIPU. Mekh. 2021. № 2. P. 144–152. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2021.2.13
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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. https://doi.org/10.1134/S0025654424605159
  27. 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. https://doi.org/10.1134/S0025654424605640
  28. Usta F., Türkmen H.S., Scarpa F. High-velocity impact resistance of doubly curved sandwich panels with re-entrant honeycomb and foam core // Int. J. Impact Eng. 2022. V. 165. P. 104230. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2022.104230

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».