9:49 ص
فيزياء الطبيعه
صمم باحثو مختبر لورنس ليفرمور الوطني (LLNL) فئة جديدة من الهياكل الشبكية ثلاثية الأبعاد التي تجمع بين الوزن الخفيف والصلابة العالية ، على الرغم من كسر قاعدة كان يُعتقد سابقًا أنها مطلوبة لإظهار هذه الخصائص. أحد الهياكل الجديدة يعرض بالإضافة إلى ذلك استجابة موحدة تمامًا للقوات في جميع الاتجاهات.
كما هو موضح في ورقة نشرت اليوم من قبل Science Advances ، استخدم فريق LLNL برئاسة المهندس سيث واتس برنامج تحسين الطوبولوجيا الذي كتبه واتس لإنشاء تصميمين فريدين لخلايا الوحدة يتكونان من دعامات متناهية الصغر ، أحدها تم تصميمه ليكون متناحي الخواص خصائص المواد (متطابقة وغير شاملة الاتجاهات). ثم تم تصنيع هذه الهياكل الجديدة واختبارها ، ووجدت أنها تفوقت على الجمالون الثماني ، وهو نمط هندسي قياسي لهياكل شعرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد.
مما أثار دهشة الباحثين ، أن الجملونات على ما يبدو تنتهك معيار ماكسويل ، وهي نظرية الصلابة الهيكلية المستخدمة في التصميم الميكانيكي الذي يفترض أن الهياكل الأكثر فعالية للحمل تشوه فقط عن طريق التمدد. في مثل هذه الهياكل ، تقيس الصلابة بشكل خطي مع الكثافة - إن تقليل وزن الهيكل إلى النصف يقلل فقط من تصلبها إلى النصف ، على عكس الهياكل الأقل كفاءة والتي سيتم تقليل تصلبها بمقدار ثلاثة أرباع أو سبعة أثمان. يمكّن هذا القياس الخطي من إنشاء مواد أولية ميكانيكية خفيفة الوزن فائقة الصلابة.
"لقد وجدنا اثنين من الجملتين التي تحجيم خطي من تصلب مع الكثافة عندما الحكمة التقليدية - هذه القاعدة معيار ماكسويل - غير راض" ، وأوضح المؤلف المشارك واتس. "لقد كان يعتقد أن معيار ماكسويل كان ضروريًا وكافيًا لإظهار أن لديك صلابة عالية بكثافة منخفضة. لقد أظهرنا أنه ليس شرطًا ضروريًا. وبعبارة أخرى ، هناك فئة أكبر من الجملونات التي لديها هذه الخاصية التحجيم الخطي.
وأضاف واتس: "هذا يدل على أن ما كانت الأرثوذكسية السابقة غير حازم". "هناك استثناءات ، والاستثناءات في الواقع يمكن أن تحصل على خصائص أفضل."
من خلال عملية طباعة مجسمة صغيرة ثلاثية الأبعاد ، تستخدم الضوء المسقط على راتنج بوليمر حساس لبناء الأجسام طبقة تلو الأخرى ، قام فريق LLNL ببناء هياكل مع أوكتاهدرايا متكررة وخلية وحدة مكعبية مصححة (ORC) مصممة ل أن تكون أكثر صلابة من الجمالون الثمانينات ذات الكثافة المتساوية ، ومع هيكل خلية وحدة مفلطح وشبه كروي (OQSO) متكرر مصمم ليكون متماثل الخواص تمامًا ، بحيث يكون رده الميكانيكي موحدًا بغض النظر عن مكان تطبيق الحمل. ثم تم التحقق من صحة التصاميم تجريبيا.
قال الباحثون إنه نظرًا لاستجابتها الموحدة ، يمكن وضع المشابك المتناحية بشكل تعسفي فيما يتعلق بالأحمال المعروفة - أو حتى غير المعروفة - مما يتيح للمهندسين إنتاج هياكل أكثر صلابة من تلك المبنية مع أنواع أخرى من الجمالونات مثل تصميم الثماني. قاسية للغاية ولكن فقط في اتجاهات معينة.
وقال كريس سباداسيني ، مؤلف مشارك في الورقة ، مدير مركز المواد والتصنيع في LLNL: "تسمح لك الجمالون المتناحية بتجاهل اتجاه الحمل في سيناريو حالة الاستخدام". "على سبيل المثال ، لم يعد عليك أن تقلق بشأن الزاوية التي تأتي منها الأحمال. يوضح هذا العمل حقًا أن هناك طريقة جديدة يمكن أن توفر لك أداء أفضل ولكن لم يتم استكشافها لأنها تنتهك الحكمة التقليدية."
قال الباحثون إن العمل يثبت أيضًا أنه باستخدام تحسين الهيكل ، يمكن للمهندسين تصميم هياكل جديدة تتفوق على تلك التي تم إنشاؤها باستخدام أساليب "التصميم حسب القاعدة" التقليدية.
قاد المؤلف المشارك ون تشن أعمال الاختبار التجريبي والميكانيكي أثناء دراسته لما بعد الدكتوراه في LLNL ، وهو الآن أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة ماساتشوستس في أمهرست. اختبر تشن العينات بكثافات مختلفة ليرى ما سيحدث عندما يتم ضغطها في زوايا مختلفة للتحقق من خصائصها الخواص. وقال تشن إنه فوجئ بالنتائج وأن البحث "حسن الوعد" باستبدال تصميم الثماني الجمالون الكلاسيكي.
وقال تشن "إنه يوضح أنه يمكنك استخدام هذه الأداة الحسابية لتصميم الهيكل لتحقيق أدائك المستهدف - وهذا يفتح طريقة تصميم جديدة للمواد الهندسية". "ثانياً ، إنها تعمل على تحسين الكفاءة الميكانيكية للتصميم المقنن. بالنسبة للبيئات التي قد يكون لديك فيها حالات إجهاد معقدة ، فأنت ترغب في الحصول عليها بأقصى قدر ممكن من الخواص. هذا يعمل على توسيع نطاق استخدام شبكاتنا لأنك في تطبيق حقيقي تحتاج غالبًا إلى مادة يمكن أن تأخذ التحميل من اتجاهات متعددة. "
العمل جزء من جهد مستمر في LLNL لاستخدام الأساليب الحسابية لتحسين تصميم الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد. وقال واتس ، الذي يعمل تحت مركز LLNL للتصميم والتحسين ، إن الهياكل الخواص تم تصميمها بالكامل من خلال النمذجة الحاسوبية. يتم دمج التصميمات الجديدة ، بالإضافة إلى الخوارزميات المستخدمة لتطويرها ، في كود تحسين تصميم ليفرمور (LiDO)
إتاحة هذه التطورات لمجالات البرامج المخبرية الأخرى. على سبيل المثال ، استخدم الباحثون بالفعل هذا النهج لتطوير خلية وحدة مخصصة لتطبيقات مرفق الإشعال الوطني.
وقال الباحثون إن دعامات الخواص المتناحية يمكن أن تمتد إلى معادن ثلاثية الأبعاد مطبوعة من السيراميك والسيراميك ، وتثبت فائدتها أينما كانت قاسية ، ولكن هناك حاجة إلى مواد خفيفة الوزن ، كما هو الحال في التطبيقات البيولوجية مثل الأنسجة ثلاثية الأبعاد ، حيث تكون الصلابة القابلة للضبط ضرورية. مجال الفضاء يتطلب أيضا هذه الخصائص. في الطائرات بدون طيار أو الطائرات المقاتلة ، على سبيل المثال ، فإن تقليل الوزن الهيكلي له فوائد مزدوجة تتمثل في زيادة القدرة على المناورة وتقليل قوى القصور الذاتي ، مما يتيح الأداء الفائق.
وقال واتس إن التصميمات خفيفة الوزن يمكن أن تقلل أيضًا من تكاليف الإنتاج ، واستخدام الوقود ، ونفايات المواد ، ولها مجموعة من الفوائد الأخرى حيث يتحرك المهندسون نحو هياكل أكثر مثالية. وأضاف الباحثون أن أحدث ورقة هي واحدة من العديد من الجهود المتزامنة في LLNL لتصميم مكتبة جديدة من خلايا الوحدة مع خصائص مصممة خصيصا لبعثات مختبر.
وقال سباداسيني "نريد توسيع مساحة التصميم بما يتجاوز التصميمات البديهية". "الأمل على المدى الطويل هو أن نبتعد عن مجرد اختيار أحدث تصميم لشبكة شعرية في الأدب ونتحرك نحو إنشاء واستخدام مكتبة المواد الخاصة بنا. يمكننا استخدام هذه الأساليب لتلبية احتياجاتنا الخاصة ، والمواد سوف تؤدي بشكل أفضل النتيجة ، في النهاية ، نود من محللي الهندسة في LLNL أن يستخدموا هذا كما لو كان أداة تصميم. "
يواصل واتس وفريقه عملهم ليشمل وصفًا أكمل لهياكل الشبكة ، بالنظر إلى الفيزياء بما يتجاوز المرونة الخطية ، بما في ذلك نقل الحرارة ، والميكانيكا غير الخطية ، والاهتزاز والفشل. إن فهم استجابتها عبر مجموعة من الظواهر يؤدي إلى تصميم أكثر دقة للهياكل متعددة المقاييس التي تم إنشاؤها باستخدام هذه المواد الوصفية الجديدة.
ليست هناك تعليقات: