Karakterisering van dissipatieve elastische metamaterialen geproduceerd door additive manufacturing

Mijn onderzoek is gericht op het karakteriseren van visco-elastische eigenschappen van actief vervaardigde polymeren en het onderzoeken van de impact op de dynamiek van elastische metamaterialen. Ik probeer te begrijpen hoe deze eigenschappen de slijtage van golven bij operationele frequenties kunnen afleiden, wat nauwkeurige karakterisering en mogelijke wijzigingen kan omvatten. Polymeerkarakterisering vereist expertise in materiaalkunde, radiologie, gespecialiseerde opstellingen en training, die vaak ontbreekt voor onderzoekers in metamaterialen.

Evenzo omvat ultrasone analyse van golfdemping en metamaterialen technieken die onbekend zijn bij chemische ingenieurs. Het samenvoegen van deze twee vakgebieden brengt dan ook aanzienlijke experimentele uitdagingen met zich mee. Visco-elasticiteit in polymeren is een complex fenomeen en er zijn beperkte gegevens over opslag- en verliesmoduli bij ultrasone frequenties, met name voor additief vervaardigde polymeren.

Het doel is om materiaaleigenschappen te verbinden met structuurgedreven dynamica van metamaterialen, waardoor een robuust en betrouwbaar ontwerp voor gerichte werkfrequenties mogelijk wordt. Ons protocol combineert productie-, chemische, ultrasone en chemische tests met numerieke analyse om ons begrip te vergroten van hoe onze schoolse eigenschappen de dynamiek van polymeermetamaterialen beïnvloeden. Deze kennis zal het ontwerp van metamaterialen verbeteren voor toepassingen in akoestische klokken, golfgeleiding, energieoogst en andere gebieden die effectieve golfbeheersing vereisen.

Onze toekomstige activiteiten zullen zich richten op het analyseren van hoe verschillende 3D-printparameters de visco-elastische eigenschappen van eindproducten beïnvloeden. Ook het onderzoeken van mechanismen om deze eigenschappen te wijzigen om het dynamische gedrag van polymeermetamaterialen te beïnvloeden. We streven ernaar om nauwkeurigere en efficiëntere modellen te creëren om visco-elastisch gedrag in complexe geometrieën te simuleren voor akoestische en ultrasone toepassingen.

Fabriceer om te beginnen kubusvormige testmonsters op basis van de afmetingen in de hier getoonde tabel. Definieer het bereik van de testtemperatuur, vermijd en blijf ruim onder de materialen, smelttemperatuur. Kies een verwarmingssnelheid tussen één en drie graden Celsius per minuut.

Voor een optimaal resultaat kiest u voor de laagste stamwaarde. Stel de parameters voor de frequentiesweep en de verwarmingssnelheid in. Gebruik voor kalibratie de testconfiguratie met één uitkraging.

Start het kalibratieproces om de nauwkeurigheid te garanderen. Om het monster vast te klemmen, draait u de schroeven van de stationaire en verstelbare klemmen los wanneer de parkeermodus is geactiveerd. Schuif het testmonster door één kant en laat het op de schroefdraad van de klemmen rusten.

Draai vervolgens de verstelbare klemmen vast, gevolgd door de stationaire klemmen. Om de oven opnieuw te installeren, plaatst u deze over de testconfiguratie en voert u de begintemperatuur handmatig in. Wacht ten minste drie minuten na het bereiken van de gewenste temperatuur.

Begin nu met meten. Zodra de metingen zijn voltooid en de oventemperatuur terugkeert naar de omgevingstemperatuur, verwijdert u de oven en het monster, exporteert u de gegevens en verschuift u de curven naar een referentietemperatuur met behulp van de juiste verschuivingsfactoren om een hoofdcurve bij de referentietemperatuur te verkrijgen. Begin met het gebruik van de modelwizard om een nieuw model te maken.

Selecteer de 3D-ruimtedimensie en voeg de solide mechanische studie toe. Kies dan voor de frequentiedomeinstudie voor transmissieanalyse. Definieer onder het tabblad algemene definities relevante parameters en wijs er waarden aan toe.

Maak met behulp van de beschikbare tools de geometrie van een metamateriaalmodel. Klik nu met de rechtermuisknop op componenten om het tabblad definities te openen, selecteer vervolgens sondes en kies grenssonde. Wijs een grens op het model toe aan deze grenssonde waar het transmissieverlies moet worden berekend.

Om een perfect op elkaar afgestemde laag of PML te definiëren, klikt u met de rechtermuisknop op het tabblad definities en wijst u PML-eigenschappen toe aan geometrische blokken rond de metamateriaalgeometrie. Pas periodieke randvoorwaarden toe op vlakken loodrecht op de periodiciteitsrichting en activeer de continuïteitsfunctie. Klik vervolgens met de rechtermuisknop op het tabblad materialen en voeg materialen toe uit de bibliotheek om materiaaleigenschappen aan de geometrie toe te wijzen.

Klik onder het tabblad componenten met de rechtermuisknop op het tabblad lineaire elastische materialen en selecteer het materiaalmodel visco-elasticiteit. Voer de afwijkende tensor in die is verkregen uit de berekening, op basis van DMA-resultaten. Klik vervolgens met de rechtermuisknop op het tabblad Voorgeschreven verplaatsing en selecteer een deel van het model dat dynamisch moet worden opgewonden in het grafische venster.

Wijs de amplitude van de verplaatsing buiten het vlak toe aan de verwachte positie van een piëzo-element. Genereer vervolgens een geschikte mesh voor het geanalyseerde model. Kies nu een geschikte shift-functie uit het dropdown-menu.

Selecteer geen als de temperatuureffecten al in aanmerking zijn genomen in de te gebruiken DMA-resultaten. Selecteer een geschikt visco-elastisch model en voer de waarden voor de afwijkende tensor in op basis van berekeningen. Selecteer in de studiebibliotheek de optie voor het toevoegen van onderzoek, selecteer het frequentiedomein en voer het doelfrequentiebereik in.

Druk vervolgens op de berekenknop om het onderzoek te berekenen. Klik nu met de rechtermuisknop op het tabblad resultaten en selecteer de functie 1D-plotgroep. Klik met de rechtermuisknop op de gemaakte 1D-plotgroep en kies globaal uit de opties.

Voer op het tabblad Y-asgegevens van het instellingenvenster de wiskundige uitdrukking voor transmissieverlies in en teken de gegevens. Numerieke resultaten voor transmissieberekeningen toonden een daling van het transmissieniveau van meer dan 20 decibel, wat neerkomt op een frequentiebandkloof die binnen het frequentiebereik werd waargenomen. Kies om te beginnen een geschikte excitatiebron op basis van numerieke voorspellingen voor een operationeel frequentiebereik.

Breng reflecterende tape aan op het testmonster op het beoogde signaalverwervingspunt om de detectie van lasersignalen te verbeteren. Pas de positie en hoek van de LDV-laser aan om deze op de reflecterende tape te richten. Sluit een computer aan op een signaalgenerator, gevolgd door een versterker die is aangesloten op een piëzo om een elektrisch circuit te creëren.

Zodra een goede verbinding tot stand is gebracht, begint u met de test. Als u twee afzonderlijke projecten voor het genereren en verkrijgen van signalen wilt maken, selecteert u de juiste hardware in het dialoogvenster startmanager voor een generator en een digitizer. Klik op start om het proces te starten op het tabblad invoermodus en kies een opnamemodus.

Selecteer vooraf de standaard enkele modus, waardoor parameters kunnen worden aangepast, zoals de mem-grootte. Stel vervolgens de gewenste bemonsteringsfrequentie in onder het tabblad klok. Configureer de triggermodus onder het tabblad Trigger.

Om een opname van een enkele opname te starten, klikt u op de naar rechts bewegende groene pijlknop. Als u klaar bent, beëindigt u de opname met de stopknop. Gebruik de eenvoudige generatoroptie van de meetsoftware om eenvoudige excitatiefuncties te genereren, zoals tekengolven of rechthoekige pulsen.

U kunt ook naar het nieuwe tabblad navigeren. Kies signaalberekeningen en kies de optie functiegenerator. Definieer de lengte van het signaal en start het signaal.

Om een snelle furiertransformatie op het signaal uit te voeren, selecteert u signaalberekeningen onder ingangskanalen en kiest u FFT. Kies een geschikte vensterfunctie voor FFT-berekening. Voordat u met de test begint, richt u de LDV-laser op de trillingsbron.

Stuur een signaal en bereken FFT om de configuratie te inspecteren om een goede werking te garanderen. Bekijk in een ander venster van de meetsoftware het ontvangen signaal. Vergelijk de FFT-resultaten in beide vensters voordat u doorgaat met het experiment.

Om het experiment te starten, richt u de LDV-laser op het gewenste verwervingspunt op het metamateriaalmonster. De transmissietest van de pitchcatch onthulde een signaaldaling binnen het frequentiebereik, wat de kloof in de frequentieband aangeeft.