Методы численного моделирования морфируемых структур на основе трикотажа: Knitmorphs

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6630 (2022) Цитировать эту статью

2474 Доступа

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Поведение, изменяющее форму, находит применение во многих областях, таких как мягкая робототехника, приводы и датчики, солнечные элементы, герметичная упаковка, гибкая электроника и биомедицина. Наиболее распространенный подход к созданию структур, изменяющих форму, — это использование сплавов с памятью формы или гидрогелей. Эти два материала подвергаются дифференциальным деформациям, которые создают различные формы. В этой работе мы демонстрируем новую концепцию, согласно которой 2D-вязания, состоящие из пряжи из разных материалов, можно трансформировать в различные трехмерные формы, тем самым образуя мост между традиционным вязанием и структурами, меняющими форму. Эта концепция называется Knitmorphs. Наш вычислительный анализ служит доказательством концепции, показывающей, что вязаные узоры из различных материалов трансформируются в сложные формы, такие как седло, осесимметричная чашка и пластина с волнами, когда подвергаются термическим нагрузкам. Двумерные круговые модели плоскости и ребер, разработанные в пакетах САПР, импортируются в программу анализа методом конечных элементов Abaqus с последующей последующей обработкой в ​​проволоку и присвоением свойств волокнистого материала с различными термическими коэффициентами расширения и жесткости. Мы также предлагаем потенциальное применение концепции программируемых узлов для разработки роботов, основанных на передвижении медуз, и сложных структур, подобных лопастям ветряных турбин. Эта новая концепция призвана открыть новую область дизайна при рассмотрении трансформируемых структур.

Функция конструкции связана с ее формой. Преимущества морфинга формы заключаются в сохранении как характеристик недеформированной формы, так и деформированной структуры. Морфирование формы снимает ограничения фиксированной формы, позволяя настраивать производительность на основе структуры по требованию1. Такое поведение использовалось для сложных движений, таких как микромасштабное передвижение мягких роботов, захват и выпуск грузов2, гибкая электроника3, а также в биомедицине для повышения выхода инсулина и жизнеспособности клеток4. В этом исследовании мы продемонстрировали с помощью вычислений, что трикотажные полотна могут деформироваться, принимая сложные геометрические формы под воздействием термических нагрузок. Это стало возможным благодаря анизотропным свойствам материалов пряжи5, так что стратегическое пространственное расположение, основанное на коэффициентах теплового расширения, позволяет проектировать сложные деформации.

Предыдущие исследования по морфированию формы использовали подход, включающий создание двухслойной структуры (рис. 1а), созданной из гидрогелей или полимерных листов5, которые подвергаются крупномасштабному набуханию под действием стимулов6, с последующими исследованиями, в которых использовалось преимущество введения внутренней податливости для достижения морфинга7,8,9, 10,11.

Терминология трикотажного полотна. (а) Двухслойное морфирование под воздействием раздражителей, (б) Вдохновение для нашей работы. Перепечатано с разрешения. Авторские права Staci, (c) Схема, показывающая направления валика и ряда трикотажного полотна, (d) Центральная ось пряжи, используемой в Abaqus, (e) Простая вязка состоит только из лицевых петель (или изнаночных петель) с одной стороны, (f) Реберная вязка состоит из чередующихся рядов лицевых и изнаночных петель.

Изменение внутренней податливости достигается за счет перехода материала между двухслойным древесно-полимерным композитом и лоскутами, напечатанными из направленного слоя термопластичного полиуретана12. В других работах используется механическая архитектура, такая как неподвижные соединения и вращающиеся пары, для создания сложных сборок при нагреве путем изгиба вокруг соединения13. Наша работа достигает конечной цели пространственного изменения соответствия за счет изменения архитектуры пряжи; а именно изменения диаметра и геометрии пряжи, которые аналогичны внутренним изменениям формы диска, показанным в предыдущих исследованиях. Более того, смоделированные вязаные узоры в этом исследовании приобретают геометрические формы, такие как лопатка турбины, которые относительно более сложны, чем простые диски или плоские формы, ограниченные мягким, тонким, листовидным материалом, который легко деформируется5,14.