Детальная информация

Пористые материалы обладают уникальными свойствами энергопоглощения и низкой плотности при высокой жесткости и прочности, благодаря чему они нашли применения в таких областях как машиностроение, биомедицинские технологии и в том числе для создания гибких роботов или гибких сенсоров. Более того, в последнее время набирают обороты направления метаматериалов, когда структура пористого материала синтезируется исходя из условий работы. Однако это сопряжено с трудностями расчета, так как работа происходит в условиях многочисленного нагружения и деформации достигают больших значений вплоть до схлопывания ячеек. В работе рассмотрены численного моделирование деформированного состояния 3D-печатных пористых структур при больших перемещениях. Основное внимание было уделено учету геометрической нелинейности элементов структуры при осевом сжатии. Численная реализация выполнена методом конечных элементов на языке Julia с применением библиотек отрытым исходным кодом Gmsh и Gridap.Для верификации численной модели были проведены экспериментальные испытания осевого сжатия образца пористого материала. Результаты показали, что диаграмма кривой деформирования при сжатии, полученная с помощью программной реализации с удовлетворительной точностью совпадает с диаграммой, полученной в результате испытаний, что говорит о том, что нелинейность в рассмотренном диапазоне нагрузок в основном обусловлена геометрической нелинейностью, в то время как связь напряжений с деформациями можно считать линейной. Также было выявлено, что определяющим фактором механического отклика является именно пористость, а не ориентация элементов структуры, что упрощает задачу проектирования подобных конфигураций. При этом из-за нелинейности уменьшение касательного модуля упругости при деформациях 16,67% составило 50%.

Porous materials exhibit unique energy absorption capabilities and low density combined with high stiffness and strength, which has led to their widespread application in fields such as mechanical engineering, biomedical technologies, and the development of flexible robots and sensors. Furthermore,there has been a growing interest in metamaterials, where the internal architecture of porous structures is designed according to specific operating conditions. However, this approach introduces significant challenges in analysis, as such structures are subjected to complex loading conditions and may experience large deformations up to cell collapse. This paper presents a numerical study of the deformation behavior of 3D-printed porous structures under large displacements. Particular attention is paid to the consideration of geometric nonlinearity of structural elements under axial compression. The numerical implementation is carried out using the finite element method in the Julia programming language, employing open-source libraries Gmsh and Gridap. To validate the numerical model, experimental compression tests of porous samples were conducted. The results demonstrate that the load–displacement curves obtained numerically are in good agreement with the experimental data. This indicates that, within the considered loading range, the nonlinear response is primarily governed by geometric nonlinearity, while the stress–strain relationship can be assumed linear. It is also shown that porosity is the dominant factor influencing the mechanical response, whereas the orientation of structural elements has a negligible effect, which simplifies the design of such configurations. Due to nonlinear effects, a reduction of the tangent modulus by approximately 50% was observed at a strain level of 16.67%.

"Современное машиностроение: наука и образование", международная научная конференция (15; 2026; Санкт-Петербург). Современное машиностроение: наука и образование 2026: материалы 15-й Международной научной конференции, 17 июня 2026 года = Modern Mechanical Engineering: Science and Education 2026: proceedings of the 15th International Scientific Conference, Russia, June 17, 2026 / Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; [под редакцией: А. Н. Евграфова, А. А. Поповича]. — 1 файл (87,7 Мб). — Санкт-Петербург: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2026. — Загл. с титул. экрана. — Ч. текста на англ. яз. — Электронная версия печатной публикации 2026 г. — Свободный доступ из сети Интернет (чтение, печать, копирование). — <URL:http://elib.spbstu.ru/dl/2/i26-171.pdf>. — DOI 10.18720/SPBPU/2/i26-171. — Текст: электронный