Учёные создали сверхпрочную решётку по образу крыльев бабочки для самолётов и сейсмостойких зданий
Исследователи из Университета Тохоку в Сендае, Япония, в сотрудничестве с коллегами из Уханьского технологического университета в провинции Хубэй, Китай, создали лёгкую решётчатую структуру, вдохновлённую крыльями бабочек. Этот новый материал обеспечивает исключительную прочность, ударную вязкость и поглощение энергии, превосходя традиционные решётчатые конструкции как в тестах на сжатие, так и на ударную нагрузку.
Для реализации проекта команда воспроизвела геометрию жилок крыльев насекомых и создала решётчатую архитектуру с бабочкообразной объёмно-центрированной кубической решёткой. Такая конструкция не только минимизирует напряжение, но и повышает сопротивление экстремальным нагрузкам. Учёные пояснили, что, вдохновившись равномерным распределением напряжений в крыльях бабочек, они представили новую анизотропную решётчатую конструкцию, основанную на бабочкообразной объёмно-центрированной кубической топологии.
Вместо того чтобы изменять сам базовый материал — процесс, требующий значительных ресурсов, — исследователи сосредоточились на структурной топологии для контроля жёсткости, прочности, характера деформации и сопротивления разрушению. В лабораторных испытаниях и конечно-элементных компьютерных симуляциях новая решётка значительно превзошла традиционные конструкции. При квазистатическом сжатии и динамическом ударном нагружении она продемонстрировала более высокий модуль упругости, повышенное плато напряжений и превосходное поглощение энергии.
Для анализа использовались экспериментальные и численные методы исследования статического и динамического механического поведения решётчатых структур, а также метод цифровой корреляции изображений для анализа распределения напряжений. Простыми словами, структура не только более эффективно сопротивлялась силе, но и управляла тем, как эта сила распределяется внутри неё. В частности, новая решётка показала значительно более высокие характеристики по модулю упругости, плато напряжений и поглощению энергии.
Более того, при ударе структура эффективно перераспределяла напряжение через X-образный путь деформации, напоминающий расправление крыльев бабочки, что подавляло локальное разрушение и отсрочивало катастрофический отказ. Доцент Эрик Цзяньфэн Чэн из Института исследований передовых материалов Университета Тохоку видит большой потенциал в этой разработке и уверен, что данная способность открывает путь для множества применений. Он отметил, что этот структурный механизм особенно примечателен, поскольку большинство лёгких решётчатых материалов не способны выдерживать такие нагрузки, как местное искривление или удар, в то время как их конструкция демонстрирует гораздо большую устойчивость к внезапным механическим нагрузкам.
Команда надеется, что эта высокоустойчивая структура может быть интегрирована в будущие самолёты и использована в сейсмостойких инфраструктурных объектах для повышения общей безопасности. В авиакосмической промышленности лёгкие материалы, способные поглощать удары, являются ключом к повышению безопасности самолётов без увеличения веса. Такая решётка могла бы помочь защитить критически важные компоненты от механических ударов или аварий. В то же время в регионах, подверженных землетрясениям, таких как Япония, конструкции должны быстро поглощать и рассеивать сейсмическую энергию. Вдохновлённый бабочками дизайн может создать материалы, которые выдерживают подземные толчки и снижают структурные повреждения. Исследователи заключили, что эта конструкция многообещающа для применения в аэрокосмической, автомобильной промышленности и в защитных системах, где критически важны лёгкие устойчивые к ударам материалы.
Исследование в International Journal of Mechanical Sciences.