Механические метаматериалы с мультистадийной потерей устойчивости и локальным разрушением для контроля над упругими волнами: 2021 г. этап 2

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

Одно из направлений стратегии развития НТР РФ определяет одной из своих целей переход к новым материалам и способам конструирования. Предполагаемый проект в соответствии с данной глобальной целью предлагает изучить способы проектирования нового класса механических метаматериалов, демонстрирующих необычное механические поведение, реализуемые за счет перестроения внутренней архитектуры. Возможность контролируемо изменять внутреннюю структуру, используя такие механические эффекты, как потеря устойчивости или локальное разрушение, позволит создать интеллектуальные материалы, способные адаптировать свое поведение в зависимости от внешних требований. Это открывает широкие возможности для дальнейшего практического применение разрабатываемых механических метаматериалов, например, для осуществления виброзащиты. Более того, разрабатываемые принципы дизайна реконфигурируемых метаматериалов являются универсальным, что обеспечивает их применимость для использования в системах на разных масштабных уровнях.
Механические и акустические свойства классических метаматериалов, определяемые во многом их внутренней структурой, фиксируются в момент производства. В то же самое время очевидно, что возможность целенаправленно изменять внутреннюю архитектуру метаматериала уже после его создания предоставляет пути для более гибкого контроля над его свойствами. Один из способов изменения внутренней структуры связан с приложением внешнего механического стимула. Механическая деформация может способствовать изменениям внутренней структуры метаматериала, однако для этого уровень деформации должен быть достаточно высок, с чем во многом и связано использование мягких гиперупругих материалов, способных переносить значительные удлинения, в качестве основы для создания механических метаматериалов. Однако даже в данном случае изменения структуры и, следовательно, свойств являются относительно малыми. Поэтому для того чтобы усилить воздействие механического стимула, был предложен класс механических метаматериалов, в которых существенное перестроение внутренней структуры происходит за счет упругой потери устойчивости. Такие метаматериалы могут иметь две конфигурации, соответствующие геометриям до и после момента нестабильности. Однако существование всего двух возможных конфигураций сильно ограничивает потенциал подобных механических метаматериалов.
В данном проекте предлагается разработать базовые принципы и создать механические метаматериалы, способные принимать множество различных конфигураций, и, следовательно, изменять свои механические и акустические свойства в более широком диапазоне. Подобная реконфигурация позволит осуществлять более гибкий контроль над поведением метаматериала и реализовывать более сложные акустические явления, такие как формирование широких запретных зон на нескольких частотах одновременно. Для создания подобных реконфигурируемых метаматериалов предлагается использовать два механических явления: мультистадийную потерю устойчивости и локальное разрушение. Посредством создания иерархической композитной структуры представляется возможным обеспечить несколько последовательных потерь устойчивости на разном уровне и в разных областях материала. В таком случае метаматериал способен обратимо переключаться между множеством состояний при изменении приложенной деформации. Локальное разрушение элементов также может быть использовано для изменения внутренней структуры при нагружении, однако в отличие от упругой потери устойчивости данные изменения являются необратимыми. Комбинируя описанные выше механические явления, в рамках данного проекта будет разработан и изучен новый класс реконфигурируемых механических метаматериалов.
Достижимость поставленных задач разработки базовых принципов дизайна реконфигурируемых механических метаматериалов обусловлена в частности рациональным планированием данного проекта, а также опытом руководителя в областях, связанных с тематикой проекта. Руководитель проекта успешно применял методы нелинейной механики для анализа механической стабильности, распространения упругих волн и разрушения в предыдущих исследованиях, результаты которых опубликованы в более чем 15 статьях в высокорейтинговых международных журналах за последние 3 года. Эти факторы в совокупности с соответствием поставленных задач текущему развитию области механических метаматериалов гарантируют выполнимость данного проекта и достижимость его основной цели.
АкронимRSF_MOL_2020 - 2
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания1/07/2130/06/22

Ключевые слова

  • механические метаматериалы
  • упругие метаматериалы
  • конечные деформации
  • гиперупругость
  • упругие волны
  • разрушение
  • потеря устойчивости