Métodos para simulação numérica de estruturas morfáveis ​​baseadas em malha: knitmorphs

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 6630 (2022) Citar este artigo

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O comportamento de transformação de formas tem aplicações em muitos campos, como robótica leve, atuadores e sensores, células solares, embalagens compactas, eletrônicos flexíveis e biomedicina. A abordagem mais comum para obter estruturas de transformação de forma é através de ligas com memória de forma ou hidrogéis. Esses dois materiais sofrem tensões diferenciais que geram uma variedade de formas. Neste trabalho, demonstramos o novo conceito de que malhas 2D compostas por fios de diferentes materiais podem ser transformadas em diferentes formas tridimensionais, formando assim uma ponte entre a malharia tradicional e as estruturas de mudança de forma. Este conceito é referido como Knitmorphs. Nossa análise computacional atua como prova de conceito, revelando que os padrões de malha de vários materiais se transformam em formas complexas, como sela, copo axissimétrico e uma placa com ondas quando submetidas a cargas térmicas. Modelos circulares bidimensionais de planos e nervuras desenvolvidos em pacotes CAD são importados para o software de análise de elementos finitos Abaqus, seguido de pós-processamento em fios e atribuição de propriedades de material de fibra de diferentes coeficientes térmicos de expansão e rigidez. Também propomos aplicações potenciais para o conceito de malhas programáveis ​​para o desenvolvimento de robôs baseados em locomoção semelhante a águas-vivas e estruturas complexas semelhantes a pás de turbinas eólicas. Este novo conceito pretende introduzir um novo campo de design ao considerar estruturas morfáveis.

A função de uma estrutura está ligada à sua forma. Os benefícios da transformação de forma envolvem a captura de ambos os recursos de uma forma não deformada para a estrutura deformada. A transformação de formas elimina as limitações de uma forma fixa, permitindo um desempenho baseado em estrutura personalizável sob demanda1. Esse comportamento tem sido explorado para movimentos complexos, como locomoção em microescala de robôs macios e captura e liberação de carga2, eletrônica flexível3 e em biomedicina para maior produção de insulina e viabilidade celular4. Neste estudo demonstramos computacionalmente que tecidos de malha podem se deformar em formas geométricas complexas sob cargas térmicas. Isso é possível graças às propriedades anisotrópicas dos materiais do fio5, de modo que o arranjo espacial estratégico baseado nos coeficientes de expansão térmica permite o projeto de deformações complexas.

Estudos anteriores em transformação de forma adotaram a abordagem que compreende uma estrutura de bicamada (Fig. 1a) desenvolvida a partir de hidrogéis ou folhas de polímero5 que sofrem uma resposta de inchaço em larga escala com estímulos6 seguidos por estudos aproveitando a introdução de complacência interna para alcançar a transformação7,8,9, 10,11.

Terminologia de tecido de malha. (a) Morphing bicamada quando submetido a estímulos, (b) Inspiração para o nosso trabalho. Reimpresso com permissão. Copyright Staci, (c) Esquema mostrando as direções do curso e do curso de tecidos de malha, (d) Eixo central do fio usado em Abaqus, (e) Malha simples compreende apenas pontos de malha (ou pontos de liga) em um lado, (f) Uma malha canelada consiste em carreiras alternadas de pontos tricô e liga.

A variação interna da complacência é obtida por meio da transição do material entre a bicamada composta de polímero de madeira e retalhos impressos a partir da camada de poliuretano termoplástico direcionado12. Outras obras fazem uso da arquitetura mecânica, como juntas imóveis e pares de revoluções para obter montagens complexas mediante aquecimento por dobra em torno da junta13. Nosso trabalho atinge o objetivo final de variação espacial de conformidade por meio da variação na arquitetura do fio; nomeadamente as alterações no diâmetro e na geometria do fio, que são análogas às variações internas de uma forma de disco mostrada em estudos anteriores. Além disso, os padrões de malha simulados neste estudo atingem formas geométricas, como uma pá de turbina, que são relativamente mais complexas do que os discos simples ou formas planares limitadas a um material macio, fino e semelhante a uma folha que se deforma facilmente5,14.