Are auxetics better for protetion? On the behaviour of architected metamaterials under high-rate loading conditions
doctoral thesis
‘Auxetics are superior materials for impact mitigation’ is a common motif in scientific literature on the quest for lightweight, impact-resistant materials. This assertion is driven by the promising properties of auxetic materials, i.e. materials with a negative Poisson’s ratio. However, it is rarely subjected to rigorous scrutiny in direct comparison with positive Poisson’s ratio materials. The objective of the present dissertation is to challenge this assertion by investigation and comparison of architected metamaterials under high-rate loading conditions. Given the absence of relevant auxetic materials in nature, the negative Poisson’s ratio of a material is engineered through the careful architecture of its internal structure, leading to the creation of so-called metamaterials. In order to investigate these metamaterials under impact conditions, extensive physical set-ups are required while allowing only for global measurements. The present dissertation is thus concerned with the computational modelling of architected materials under high-rate compression.
In order to achieve a more profound comprehension of the processes within a range of different configurations for auxetic metamaterials, a first step is the development of an efficient numerical model based on nonlinear Timoshenko-Ehrenfest beams. The developed model is implemented in a finite element framework. In addition to geometric non-linearities, also nonlinear material behaviour within the beams needs to be accounted for. Here, a scaling strategy for the hardening behaviour of elastoplastic beams is proposed and implemented.
A set of four different auxetic architectures, based on distinct mechanisms, is employed to provide a comprehensive overview of the options for architected materials.
These are re-entrant honeycombs, double arrowheads, chiral and anti-chiral architectures. The conventional honeycomb is used as a benchmark for a non-auxetic structure. In order to establish a baseline for the comparison of materials, a range of unit cells from all designs with identical linear elastic properties, such as the Young’s modulus and the density, are designed. Utilizing the developed numerical model, the evolution of the elastic properties throughout the deformation process is examined and correlated to alterations in the loading of the deformed beams. This evolution is linked to the energy absorption capabilities in an elastic environment for varying loading speeds and conditions. The findings of this study demonstrate that higher energy absorption is exhibited only by one of the investigated auxetic metamaterials, when compared to conventional honeycomb structures.
Furthermore, an experimental campaign is conducted with two reduced sets of unit cells, designed and manufactured to show the same mass and stiffness, respectively. During the campaign, the samples were subjected to high velocity impact loading. Particular emphasis is placed on the force transmission between the two sides of the beam structure. The distribution of these forces onto the back side of the architected material is supplemented by additional numerical studies.
In this campaign, auxetic materials have been found to demonstrate no advantage in terms of force transmission and distributions of these forces in comparison with their non-auxetic counterparts.
A final series of investigations is conducted to examine the impact of varying strain rates on the localization of deformation across different architectures. In this investigation, particular emphasis is placed on the patterns in which localized deformation occurs and the subsequent effects on the concentration of energy in the structure. In the tested conditions, auxetic materials demonstrate higher levels of transmitted forces and lower levels of absorbed energy, resulting in worse impact protection capabilities.
Consequently, the present dissertation challenges the prevailing consensus in literature that auxetic materials offer superior impact mitigation capabilities, both in terms of energy absorption and force transmission. The computational results demonstrate the deleterious effect of substantial deformations, as well as the neutralization of the Poisson effect at high compression rates. The results of the experimental campaign further support these findings.
The research conducted for this dissertation was carried out in collaboration with TNO under the supervision of Sanne J. van den Boom.
In order to achieve a more profound comprehension of the processes within a range of different configurations for auxetic metamaterials, a first step is the development of an efficient numerical model based on nonlinear Timoshenko-Ehrenfest beams. The developed model is implemented in a finite element framework. In addition to geometric non-linearities, also nonlinear material behaviour within the beams needs to be accounted for. Here, a scaling strategy for the hardening behaviour of elastoplastic beams is proposed and implemented.
A set of four different auxetic architectures, based on distinct mechanisms, is employed to provide a comprehensive overview of the options for architected materials.
These are re-entrant honeycombs, double arrowheads, chiral and anti-chiral architectures. The conventional honeycomb is used as a benchmark for a non-auxetic structure. In order to establish a baseline for the comparison of materials, a range of unit cells from all designs with identical linear elastic properties, such as the Young’s modulus and the density, are designed. Utilizing the developed numerical model, the evolution of the elastic properties throughout the deformation process is examined and correlated to alterations in the loading of the deformed beams. This evolution is linked to the energy absorption capabilities in an elastic environment for varying loading speeds and conditions. The findings of this study demonstrate that higher energy absorption is exhibited only by one of the investigated auxetic metamaterials, when compared to conventional honeycomb structures.
Furthermore, an experimental campaign is conducted with two reduced sets of unit cells, designed and manufactured to show the same mass and stiffness, respectively. During the campaign, the samples were subjected to high velocity impact loading. Particular emphasis is placed on the force transmission between the two sides of the beam structure. The distribution of these forces onto the back side of the architected material is supplemented by additional numerical studies.
In this campaign, auxetic materials have been found to demonstrate no advantage in terms of force transmission and distributions of these forces in comparison with their non-auxetic counterparts.
A final series of investigations is conducted to examine the impact of varying strain rates on the localization of deformation across different architectures. In this investigation, particular emphasis is placed on the patterns in which localized deformation occurs and the subsequent effects on the concentration of energy in the structure. In the tested conditions, auxetic materials demonstrate higher levels of transmitted forces and lower levels of absorbed energy, resulting in worse impact protection capabilities.
Consequently, the present dissertation challenges the prevailing consensus in literature that auxetic materials offer superior impact mitigation capabilities, both in terms of energy absorption and force transmission. The computational results demonstrate the deleterious effect of substantial deformations, as well as the neutralization of the Poisson effect at high compression rates. The results of the experimental campaign further support these findings.
The research conducted for this dissertation was carried out in collaboration with TNO under the supervision of Sanne J. van den Boom.
“Auxetische materialen zijn superieure materialen voor het verminderen van inslageffecten” is een veel voorkomende claim in de wetenschappelijke literatuur in de zoektocht naar lichte, stootbestendige materialen. Deze bewering is gebaseerd op de gunstige eigenschappen van auxetische materialen, d.w.z. materialen met een negatieve dwarscontractiecoëfficiënt. Een grondige vergelijking met materialen die een positieve dwarscontractiecoëfficiënt hebben, wordt echter zelden gemaakt. Het doel van dit proefschrift is om deze vergelijking van auxetische en niet-auxetische materialen bij hoge belastingssnelheden uit te voeren en zo de juistheid van die bewering te controleren. Aangezien er in de natuur nauwelijks auxetische materialen voorkomen, wordt de negatieve dwarscontractiecoëfficiënt verkregen door een zorgvuldig ontworpen interne structuur, wat leidt tot de creatie van zogenaamde metamaterialen. Het bestuderen van deze metamaterialen onder omstandigheden die voor inslag representief zijn vereist uitgebreide fysieke proefopstellingen, die echter slechts globale metingen mogelijk maken. Daarom richt dit proefschrift zich op de rekenkundige modellering van geprogrammeerde metamaterialen bij compressie met hoge snelheid.
Om een dieper inzicht te verkrijgen in de vervormingsprocessen in verschillende configuraties van auxetische metamaterialen, is eerst een efficiënt numeriek model ontwikkeld, gebaseerd op niet-lineaire Timoshenko-Ehrenfest-balken. Het ontwikkelde model is geïmplementeerd in een eindige-elementenraamwerk. Naast geometrische niet-lineariteiten moet ook het niet-lineaire materiaalgedrag van de balken worden meegenomen. Hiertoe is een schaalmethodiek van het verstevigingsgedrag van elastoplastische balken ontwikkeld en geïmplementeerd.
Er is gebruik gemaakt van vier verschillende auxetische architecturen, gebaseerd op uiteenlopende mechanismen, om een volledig overzicht te geven van de mogelijkheden van geprogrammeerde metamaterialen. Het gaat hierbij om concave honingraten, dubbele pijlvormen, chirale en antichirale structuren. De conventionele honingraat is als referentie gebruikt voor een niet-auxetische structuur. Om een basis te creëren voor de vergelijking van de verschillende metamaterialen, is een reeks eenheidscellen ontworpen uit alle configuraties met identieke lineairelastische eigenschappen, zoals de elasticiteitsmodulus en de dichtheid. Met behulp van het ontwikkelde numerieke model is de evolutie van de elastische eigenschappen tijdens het vervormingsproces onderzocht en gecorreleerd aan de veranderende belasting van de gedeformeerde balken. Deze evolutie is gekoppeld aan de energieabsorptiecapaciteit in een elastische omgeving bij verschillende belastingssnelheden en -omstandigheden. Uit de resultaten van deze studie blijkt dat
slechts één van de onderzochte auxetische metamaterialen een hogere energieabsorptie vertoont dan conventionele honingraatstructuren.
Daarnaast is een experimentele campagne uitgevoerd met twee gereduceerde sets eenheidscellen, die zodanig zijn ontworpen en vervaardigd dat ze dezelfde massa en stijfheid bezitten. Tijdens deze campagne zijn de proefstukken onderworpen aan hogesnelheidsimpact, met bijzondere aandacht voor de krachtsoverdracht tussen de twee zijden van de balkstructuur. De verdeling van deze krachten aan de achterzijde van het materiaal is verder onderzocht met aanvullende numerieke studies. Uit deze campagne zijn geen voordelen gebleken van auxetische materialen, in vergelijking met hun niet-auxetische tegenhangers, wat betreft krachtsoverdracht en de verdeling van deze krachten. In een laatste studie is de invloed van verschillende rek- en vervormingssnelheden op de lokalisatie van de vervorming in uiteenlopende architecturen bestudeerd. Bij dit onderzoek lag de nadruk op de patronen waarin deze lokalisaties optreden en de daaropvolgende effecten op de energiedistributie in de structuur. Onder de geteste omstandigheden vertonen auxetische materialen hogere overgedragen krachten en lagere geabsorbeerde energie, wat resulteert in een slechtere bescherming tegen inslagen.
Daarom stelt dit proefschrift de heersende consensus in de literatuur ter discussie dat auxetische materialen superieure mogelijkheden bieden voor de vermindering van inslageffecten, zowel wat betreft energieabsorptie als krachtsoverdracht. Uit de berekende resultaten blijkt dat aanzienlijke vervormingen in auxetische materialen een nadelig effect hebben en dat de dwarscontractiecoëfficiënt bij hoge compressiesnelheden wordt geneutraliseerd. De resultaten van de experimentele campagne ondersteunen deze bevindingen.
Om een dieper inzicht te verkrijgen in de vervormingsprocessen in verschillende configuraties van auxetische metamaterialen, is eerst een efficiënt numeriek model ontwikkeld, gebaseerd op niet-lineaire Timoshenko-Ehrenfest-balken. Het ontwikkelde model is geïmplementeerd in een eindige-elementenraamwerk. Naast geometrische niet-lineariteiten moet ook het niet-lineaire materiaalgedrag van de balken worden meegenomen. Hiertoe is een schaalmethodiek van het verstevigingsgedrag van elastoplastische balken ontwikkeld en geïmplementeerd.
Er is gebruik gemaakt van vier verschillende auxetische architecturen, gebaseerd op uiteenlopende mechanismen, om een volledig overzicht te geven van de mogelijkheden van geprogrammeerde metamaterialen. Het gaat hierbij om concave honingraten, dubbele pijlvormen, chirale en antichirale structuren. De conventionele honingraat is als referentie gebruikt voor een niet-auxetische structuur. Om een basis te creëren voor de vergelijking van de verschillende metamaterialen, is een reeks eenheidscellen ontworpen uit alle configuraties met identieke lineairelastische eigenschappen, zoals de elasticiteitsmodulus en de dichtheid. Met behulp van het ontwikkelde numerieke model is de evolutie van de elastische eigenschappen tijdens het vervormingsproces onderzocht en gecorreleerd aan de veranderende belasting van de gedeformeerde balken. Deze evolutie is gekoppeld aan de energieabsorptiecapaciteit in een elastische omgeving bij verschillende belastingssnelheden en -omstandigheden. Uit de resultaten van deze studie blijkt dat
slechts één van de onderzochte auxetische metamaterialen een hogere energieabsorptie vertoont dan conventionele honingraatstructuren.
Daarnaast is een experimentele campagne uitgevoerd met twee gereduceerde sets eenheidscellen, die zodanig zijn ontworpen en vervaardigd dat ze dezelfde massa en stijfheid bezitten. Tijdens deze campagne zijn de proefstukken onderworpen aan hogesnelheidsimpact, met bijzondere aandacht voor de krachtsoverdracht tussen de twee zijden van de balkstructuur. De verdeling van deze krachten aan de achterzijde van het materiaal is verder onderzocht met aanvullende numerieke studies. Uit deze campagne zijn geen voordelen gebleken van auxetische materialen, in vergelijking met hun niet-auxetische tegenhangers, wat betreft krachtsoverdracht en de verdeling van deze krachten. In een laatste studie is de invloed van verschillende rek- en vervormingssnelheden op de lokalisatie van de vervorming in uiteenlopende architecturen bestudeerd. Bij dit onderzoek lag de nadruk op de patronen waarin deze lokalisaties optreden en de daaropvolgende effecten op de energiedistributie in de structuur. Onder de geteste omstandigheden vertonen auxetische materialen hogere overgedragen krachten en lagere geabsorbeerde energie, wat resulteert in een slechtere bescherming tegen inslagen.
Daarom stelt dit proefschrift de heersende consensus in de literatuur ter discussie dat auxetische materialen superieure mogelijkheden bieden voor de vermindering van inslageffecten, zowel wat betreft energieabsorptie als krachtsoverdracht. Uit de berekende resultaten blijkt dat aanzienlijke vervormingen in auxetische materialen een nadelig effect hebben en dat de dwarscontractiecoëfficiënt bij hoge compressiesnelheden wordt geneutraliseerd. De resultaten van de experimentele campagne ondersteunen deze bevindingen.
Topics
TNO Identifier
1019113
ISBN
978-94-6518-121-9
Collation
220 p.
Place of publication
Delft