Studying the Properties of Metamaterials with a Negative Poisson’s Ratio when Punched by a Rigid Impactor

S. Yu. Ivanova; Иванова С. Ю.; K. Yu. Osipenko; Осипенко К. Ю.; A. I. Demin; Демин А. И.; N. V.  Banichuk; Баничук Н. В.; D. S. Lisovenko; Лисовенко Д. С.

doi:10.31857/S0572329923600366

Studying the Properties of Metamaterials with a Negative Poisson’s Ratio when Punched by a Rigid Impactor

Authors: Ivanova S.Y.¹, Osipenko K.Y.¹, Demin A.I.¹, Banichuk N.V.¹, Lisovenko D.S.¹
Affiliations:
1. Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS, 119526, Moscow, Russia
Issue: No 5 (2023)
Pages: 120-130
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/1026-3519/article/view/137553
DOI: https://doi.org/10.31857/S0572329923600366
EDN: https://elibrary.ru/GBZWAQ
ID: 137553

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Some properties of metamaterials with a negative Poisson’s ratio (auxetics) have been studied experimentally when punched along the normal by a rigid spherical impactor. Samples of a metamaterial with a chiral structure (hexachirals honeycomb) are made of e-PLA plastic using a 3D printer. In experiments, a deviation of the direction of movement of the impactor after leaving the punched sample from the approach direction (normal to the side surface) is observed. The dependence of the impactor projection direction on the orientation of the elements of chiral symmetry of the samples is established. A FE model for calculating the penetration of a chiral structure has been developed. Numerical results are presented and their agreement with experimental data is noted.

Keywords

metamaterials, auxetics, experimental studies, punching, rigid impactor, finite element calculation

References

Lim T.-C. Auxetic materials and structures. Singapore: Springer, 2015. https://doi.org/10.1007/978-981-287-275-3
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
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
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
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
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
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
Скрипняк В.В., Чирков М.О., Скрипняк В.А. Моделирование механической реакции ауксетических метаматериалов на динамические воздействия // Вестник ПНИПУ. Механика. 2021. № 2. С. 144–152. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2021.2.13
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
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
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
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
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
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
Lakes R. Deformation mechanisms in negative Poisson’s ratio materials: structural aspects // J. Mater. Sci. 1991. V. 26. P. 2287–2292. https://doi.org/10.1007/BF01130170
Grima J.N., Gatt R., Farrugia P.-S. On the properties of auxetic meta-tetrachiral structures // Phys Status Solidi B. 2008. V.245. № 3. P. 511–520. https://doi.org/10.1002/pssb.200777704
Alderson A., Alderson K., Attard D. et al. Elastic constants of 3-, 4-and 6-connected chiral and anti-chiral honeycombs subject to uniaxial in-plane loading // Compos. Sci. Technol. 2010. V. 70. P. 1042–1048. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.07.009
Витман Ф.Ф., Иоффэ Б.С. Простой метод нахождения динамической твердости металлов с помощью двустороннего конуса // Заводская лаборатория. 1948. Т. XIV. № 6. С. 727–732.
Витман Ф.Ф., Степанов В.А. Влияние скорости деформирования на сопротивление деформированию металлов при скоростях удара 102–103 м/с // Некоторые проблемы прочности твердого тела. Изд-во АН СССР, 1959. С. 207–221.
Каниболотский М.А., Уржумцев Ю.С. Оптимальное проектирование слоистых конструкций. Новосибирск: Наука, 1989. 176 с.
Баничук Н.В., Иванова С.Ю., Макеев Е.В., Турутько А.И. Некоторые аналитические и численные оценки параметров оптимальной структуры защитной плиты // Проблемы прочности и пластичности. 2013. Т. 75. № 3. С. 206–214.
Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T. Applied high-speed plate penetration dynamics. Dordrecht: Springer, 2006. 353 p.
Баничук Н.В., Иванова С.Ю. Оптимизация: контактные задачи и высокоскоростное проникание. М.: Физматлит, 2016. 176 с.
Бивин Ю.К., Колесников В.А., Флитман Л.М. Определение механических свойств среды методом динамического внедрения // Изв. АН СССР. МТТ. 1982. № 5. С. 181–185.
Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T. Modeling of high-speed penetration into concrete shields and shape optimization of impactors // Mech. Based Des. Struct. Mach. 2006. V. 34. № 2. P. 139–156. https://doi.org/10.1080/15397730600663398
Баничук Н.В., Иванова С.Ю. Оптимизация формы жесткого тела, внедряющегося в сплошную среду // Проблемы прочности и пластичности. 2007. С. 47–58.
Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T. High-Speed Penetration Modeling and Shape Optimization of the Projectile Penetrating into Concrete Shields // Mech. Based Des. Struct. Mach. 2009. 37. № 4. P. 538–549. https://doi.org/10.1080/15397730903272830
Cuncheng Shi, Mingyang Wang, Jie Li, Mengshen Li. A model of depth calculation for projectile penetration into dry sand and comparison with experiments // Int. J. Impact Eng. 2014. V. 73. P. 112–122. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2014.06.010