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Enhancing mechanical properties of auxetic structures through optimization and experimental testing

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dc.creator GOMES, Rafael Augusto
dc.date.issued 2024-07-05
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4101
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
dc.subject Tubular structures
dc.subject Negative Poisson’s Ratio
dc.subject Optimization
dc.subject Additive manufacture
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
dc.date.available 2024-08-01T13:48:16Z
dc.date.accessioned 2024-08-01T13:48:16Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/9929808980672885 pt_BR
dc.contributor.advisor1 GOMES, Guilherme Ferreira
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/4963257858781799 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 FRANCISCO, Matheus Brendon
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


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