dc.creator |
GOMES, Rafael Augusto |
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dc.date.issued |
2024-07-05 |
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dc.identifier.uri |
https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4101 |
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dc.description.abstract |
Auxetic materials and structures have been attracting attention due to their mechanical
properties, also the notably their high capacity to absorb energy. Some types of auxetic
tubular structures have been studied and designed for application in diverse engineering
fields such as mechanical, aerospace, and medical engineering. In the present study,
inspired by the dragonfly wing shape, a novel auxetic unit cell was developed and applied
in a tubular structure with the goal of proposing a new structure with lower stress
concentration and consequently increased energy absorption. The dragonfly wing (DFW)
shaped unit cells were integrated into a tubular structure, and experimental samples were
produced using an additive manufacturing process. To validate the energy absorption capability
of the novel unit cell, a comparison was made with the classical reentrant auxetic
tubular structure using two different parameters: weight and the number of unit cells,
which were developed in two different DFW structures. The results from the compression
tests showed that the bio-inspired dragonfly wing shape, in both proposed configurations,
demonstrated excellent energy absorption compared to the classical reentrant structure.
Specifically, the structure with the same quantity of unit cells and the structure with the
same weight absorbed 163% and 79% more energy, respectively. Subsequently, an optimization
process was conducted to enhance the mechanical properties of the structure.
An optimization framework was implemented to simultaneously minimize three critical
structural objectives: Poisson’s ratio, mass, and stress. Numerical simulations facilitated
metamodeling via the response surface method, creating surrogate models that accurately
represent each response variable. A metaheuristic optimization technique, the Nondominated
Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II), was then employed to optimize these
responses for compression performance. Experimental validation supported the numerical
findings, with two optimized designs proposed. The first design (TOPSIS 1) showed
reductions in Poisson’s ratio by up to 3% and stress by 45%, while the second design
(TOPSIS 2) demonstrated a stress reduction of 537%. Additionally, experimental validation
revealed significant improvements in energy absorption capabilities, with TOPSIS 1
and TOPSIS 2 increasing energy absorption by 58% and 545%, respectively, compared to
the baseline. The present study present the significant potential of bio-inspired auxetic
structures for high complexity applications requiring high energy absorption capacity. |
pt_BR |
dc.language |
eng |
pt_BR |
dc.publisher |
Universidade Federal de Itajubá |
pt_BR |
dc.rights |
Acesso Aberto |
pt_BR |
dc.subject |
Auxético |
pt_BR |
dc.subject |
Estruturas tubulares |
pt_BR |
dc.subject |
Coeficiente de poisson negativo |
pt_BR |
dc.subject |
Otimização |
pt_BR |
dc.subject |
Manufatura aditiva |
pt_BR |
dc.subject |
Auxetic |
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dc.subject |
Tubular structures |
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dc.subject |
Negative Poisson’s Ratio |
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dc.subject |
Optimization |
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dc.subject |
Additive manufacture |
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dc.title |
Enhancing mechanical properties of auxetic structures through optimization and experimental testing |
pt_BR |
dc.type |
Dissertação |
pt_BR |
dc.date.available |
2024-08-01 |
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dc.date.available |
2024-08-01T13:48:16Z |
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dc.date.accessioned |
2024-08-01T13:48:16Z |
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dc.creator.Lattes |
http://lattes.cnpq.br/9929808980672885 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor1 |
GOMES, Guilherme Ferreira |
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dc.contributor.advisor1Lattes |
http://lattes.cnpq.br/4963257858781799 |
pt_BR |
dc.contributor.advisor-co1 |
FRANCISCO, Matheus Brendon |
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dc.contributor.advisor-co1Lattes |
http://lattes.cnpq.br/8699242021339583 |
pt_BR |
dc.description.resumo |
Materiais e estruturas auxéticas têm atraído atenção devido às suas propriedades mecânicas,
notadamente sua alta capacidade de absorver energia. Alguns tipos de estruturas
tubulares auxéticas têm sido estudados e projetados para aplicação em diversos campos
da engenharia, como engenharia mecânica, aeroespacial e médica. No presente estudo, inspirado
pela forma da asa da libélula, uma nova célula unitária auxética foi desenvolvida
e aplicada em uma estrutura tubular com o objetivo de propor uma nova estrutura com
menor concentração de tensões e, consequentemente, maior absorção de energia. As células
unitárias em forma de asa de libélula (DFW) foram integradas em uma estrutura tubular,
e amostras experimentais foram produzidas utilizando um processo de manufatura
aditiva. Para validar a capacidade de absorção de energia da nova célula unitária, foi
feita uma comparação com a estrutura tubular auxética reentrante clássica usando dois
parâmetros diferentes: peso e número de células unitárias, que foram desenvolvidas em
duas diferentes estruturas DFW. Os resultados dos testes de compressão mostraram que
a forma inspirada na asa da libélula, em ambas as configurações propostas, demonstrou
excelente absorção de energia em comparação com a estrutura reentrante clássica. Especificamente,
a estrutura com a mesma quantidade de células unitárias e a estrutura com o
mesmo peso absorveram 163% e 79% mais energia, respectivamente. Subsequentemente,
foi conduzido um processo de otimização para aprimorar as propriedades mecânicas da
estrutura. Um framework de otimização foi implementado para minimizar simultaneamente
três objetivos estruturais críticos: razão de Poisson, massa e tensões. Simulações
numéricas facilitaram a metamodelagem via o método de superfície de resposta, criando
modelos substitutos que representam com precisão cada variável de resposta. Uma técnica
de otimização metaheurística, o Algoritmo Genético de Ordenação Não-dominada
(NSGA-II), foi então empregada para otimizar essas respostas para desempenho em compressão.
A validação experimental corroborou os achados numéricos, com duas configurações
otimizadas propostas. O primeiro design (TOPSIS 1) apresentou reduções na
razão de Poisson de até 3% e nas tensões de 45%, enquanto o segundo design (TOPSIS 2)
demonstrou uma redução nas tensões de 537%. Adicionalmente, a validação experimental
revelou melhorias significativas nas capacidades de absorção de energia, com TOPSIS 1
e TOPSIS 2 aumentando a absorção de energia em 58% e 545%, respectivamente, em
comparação com a estrutura de referência. O presente estudo apresenta o potencial significativo
das estruturas auxéticas bio-inspiradas para aplicações de alta complexidade que
exigem alta capacidade de absorção de energia. |
pt_BR |
dc.publisher.country |
Brasil |
pt_BR |
dc.publisher.department |
IEM - Instituto de Engenharia Mecânica |
pt_BR |
dc.publisher.program |
Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Mecânica |
pt_BR |
dc.publisher.initials |
UNIFEI |
pt_BR |
dc.subject.cnpq |
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA |
pt_BR |
dc.relation.references |
GOMES, Rafael Augusto. Enhancing mechanical properties of auxetic structures through optimization and experimental testing. 2024. 131 f. Dissertação. (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2024. |
pt_BR |