Аннотация:
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, Гарвардского университета и Стамбульского политехнического университета в Турции разработали метод проектирования метаматериалов, который учитывает несущую способность и характеристики жидкости, опираясь на структуру скелета глубоководной стеклянной губки «Euplectella aspergillum». Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, фокусируется не на воспроизведении самой губки, а на преобразовании ее легкой и прочной геометрии сетки в оптимизированные с точки зрения вычислений инженерные структуры.
Каркас Корзины Венеры изготовлен из стеклоподобного кремнезема. Продольные и окружные рамы, поперечные диагональные распорки и внешние спиральные узоры вместе образуют сложную решетку, позволяющую выдерживать глубоководное давление и течения и направлять воду через корпус или вокруг него. Исследовательская группа надеется извлечь уроки из этой структуры и решить общие противоречия в инженерном проектировании: материал должен быть как можно более легким и использовать как можно меньше материала, и в то же время быть достаточно прочным, чтобы уменьшить сопротивление и вибрацию, вызываемые ветром или потоком воды.
С этой целью команда использовала анализ методом конечных элементов для оценки прочности конструкции, вычислительную гидродинамику для моделирования потока, а затем использовала многокритериальный алгоритм байесовской оптимизации для автоматического просмотра и корректировки сотен геометрических решений. Цели оптимизации включают увеличение критической продольной нагрузки конструкции и снижение сопротивления жидкости, подъемной силы и колебаний подъемной силы; последнее связано с образованием вихрей и вызываемыми ими вибрациями. Затем исследователи использовали стереолитографию для изготовления выбранных структур и проверили результаты моделирования с помощью экспериментов по сжатию и измерения скорости изображения частиц.
Эксперименты показывают, что при различных объемных долях материала критическая нагрузка на продольный изгиб оптимизированной решетки увеличивается в среднем примерно на 140 % по сравнению с базовой конструкцией, при этом уменьшаются сопротивление, подъемная сила и образование вихрей. Например, Беркли заявил, что почти сплошная цилиндрическая конструкция с коэффициентом открытия всего около 5% и спиральным гребнем также может значительно подавлять вибрации, вызванные жидкостью, не жертвуя при этом структурной стабильностью. Исследователи заявили, что эти улучшения связаны с оптимизацией геометрии и не увеличивают объем материала; соответствующие значения являются результатами сравнения экспериментальной структуры и эталонной схемы и не означают, что все материалы или приложения могут быть одинаково улучшены.
Команда считает, что этот метод имеет потенциал для использования в конструкциях, которые должны быть легкими, устойчивыми к нагрузкам и подвергаться воздействию жидкой среды в течение длительного времени, включая компоненты самолетов, опорные конструкции подводных трубопроводов и медицинские стенты, которые помогают поддерживать каналы для жидкости в организме. Он также может подойти для инженерных сооружений, подвергающихся воздействию ветра, например, высотных зданий. Исследования все еще находятся на стадии проектирования и проверки прототипа, а практическое применение требует дальнейших испытаний на различных материалах, масштабах, нагрузках и методах производства.
Комментарии