Pantographic metamaterials: an example of mathematically driven design and of its technological challenges - Publikacja - MOST Wiedzy

Wyszukiwarka

Pantographic metamaterials: an example of mathematically driven design and of its technological challenges

Abstrakt

In this paper, we account for the research efforts that have been started, for some among us, already since 2003, and aimed to the design of a class of exotic architectured, optimized (meta) materials. At the first stage of these efforts, as it often happens, the research was based on the results of mathematical investigations. The problem to be solved was stated as follows: determine the material (micro)structure governed by those equations that specify a desired behavior. Addressing this problem has led to the synthesis of second gradient materials. In the second stage, it has been necessary to develop numerical integration schemes and the corresponding codes for solving, in physically relevant cases, the chosen equations. Finally, it has been necessary to physically construct the theoretically synthesized microstructures. This has been possible by means of the recent developments in rapid prototyping technologies, which allow for the fabrication of some complex (micro)structures considered, up to now, to be simply some mathematical dreams. We show here a panorama of the results of our efforts (1) in designing pantographic metamaterials, (2) in exploiting the modern technology of rapid prototyping, and (3) in the mechanical testing of many real prototypes. Among the key findings that have been obtained, there are the following ones: pantographic metamaterials (1) undergo very large deformations while remaining in the elastic regime, (2) are very tough in resisting to damage phenomena, (3) exhibit robust macroscopic mechanical behavior with respect to minor changes in their microstructure and micromechanical properties, (4) have superior strength to weight ratio, (5) have predictable damage behavior, and (6) possess physical properties that are critically dictated by their geometry at the microlevel.

Cytowania

  • 1 4 8

    CrossRef

  • 1 2 0

    Web of Science

  • 1 6 1

    Scopus

Cytuj jako

Autorzy (34)

  • Zdjęcie użytkownika Dr. hab. Prof. Francesco Dell'Isola

    Francesco Dell'Isola Dr. hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. hab. Prof Pierre Seppecher

    Pierre Seppecher Dr. hab. Prof

  • Zdjęcie użytkownika Dr.hab. Prof Jean Jacques Alibert

    Jean Jacques Alibert Dr.hab. Prof

  • Zdjęcie użytkownika Dr. hab. Prof. Tomasz Lekszycki

    Tomasz Lekszycki Dr. hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika  Grygoruk Roman

    Grygoruk Roman

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Marek Pawlikowski

    Marek Pawlikowski Dr.

  • Zdjęcie użytkownika Professor David Steigmann

    David Steigmann Professor

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Ivan Giorgio

    Ivan Giorgio Dr.

  • Zdjęcie użytkownika Dr.hab. Prof. Ugo Andreaus

    Ugo Andreaus Dr.hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. hab. Prof. Emilio Turco

    Emilio Turco Dr. hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika  Maciej Gołaszewski

    Maciej Gołaszewski

  • Zdjęcie użytkownika Dr.hab. Prof. Nicola Rizzi

    Nicola Rizzi Dr.hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Dr.hab. Prof. Claude Boutin

    Claude Boutin Dr.hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Prof. Anil Misra

    Anil Misra Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. hab. Luca Placidi

    Luca Placidi Dr. hab.

  • Zdjęcie użytkownika  Emilio Barchiesi

    Emilio Barchiesi

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Leopoldo Greco

    Leopoldo Greco Dr.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. hab. Professor Massimo Cuomo

    Massimo Cuomo Dr. hab. Professor

  • Zdjęcie użytkownika Dr.hab. Prof. Antonio Antonio

    Antonio Antonio Dr.hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Alessandro Della Corte

    Alessandro Della Corte Dr.

  • Zdjęcie użytkownika  Antonio Battista

    Antonio Battista

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Daria Scerrato

    Daria Scerrato Dr.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Inna Eremeeva

    Inna Eremeeva Dr.

  • Zdjęcie użytkownika  Yosra Rahali

    Yosra Rahali

  • Zdjęcie użytkownika Dr.hab. Prof. Jean-François Ganghoffer

    Jean-François Ganghoffer Dr.hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Dr.hab. Prof. Wolfgang Müller

    Wolfgang Müller Dr.hab. Prof.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Gregor Ganzosch

    Gregor Ganzosch Dr.

  • Zdjęcie użytkownika  Mario Spagnuolo

    Mario Spagnuolo

  • Zdjęcie użytkownika  Aron Pfaff

    Aron Pfaff

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Katarzyna Barcz

    Katarzyna Barcz Dr.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Klaus Hoschke

    Klaus Hoschke Dr.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. Jan Neggers

    Jan Neggers Dr.

  • Zdjęcie użytkownika Dr. François Hild

    François Hild Dr.

Informacje szczegółowe

Kategoria:
Publikacja w czasopiśmie
Typ:
artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR
Opublikowano w:
CONTINUUM MECHANICS AND THERMODYNAMICS nr 31, strony 851 - 884,
ISSN: 0935-1175
Język:
angielski
Rok wydania:
2018
Opis bibliograficzny:
Dell'Isola F., Seppecher P., Alibert J., Lekszycki T., Roman G., Pawlikowski M., Steigmann D., Giorgio I., Andreaus U., Turco E., Gołaszewski M., Rizzi N., Boutin C., Eremeev V., Misra A., Placidi L., Barchiesi E., Greco L., Cuomo M., Antonio A., Della Corte A., Battista A., Scerrato D., Eremeeva I., Rahali Y., Ganghoffer J., Müller W., Ganzosch G., Spagnuolo M., Pfaff A., Barcz K., Hoschke K., Neggers J., Hild F.: Pantographic metamaterials: an example of mathematically driven design and of its technological challenges// CONTINUUM MECHANICS AND THERMODYNAMICS. -Vol. 31, (2018), s.851-884
DOI:
Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1007/s00161-018-0689-8
Bibliografia: test
  1. F. dell'Isola, D. Steigmann, and A. Della Corte. Synthesis of brous complex structures: Designing microstruc- ture to deliver targeted macroscale response. Applied Mechanics Reviews, 67(6):060804, 2015.
  2. Graeme Milton, Marc Briane, and Davit Harutyunyan. On the possible eective elasticity tensors of 2- dimensional and 3-dimensional printed materials. Mathematics and Mechanics of Complex Systems, 5(1):41 94, 2017. otwiera się w nowej karcie
  3. Victor A Eremeyev and Wojciech Pietraszkiewicz. Material symmetry group and constitutive equations of micropolar anisotropic elastic solids. Mathematics and Mechanics of Solids, 21(2):210221, 2016.
  4. Albrecht Bertram and Rainer Glüge. Gradient materials with internal constraints. Mathematics and Me- chanics of Complex Systems, 4(1):115, 2016. otwiera się w nowej karcie
  5. Lucio Russo. The forgotten revolution: how science was born in 300 BC and why it had to be reborn. Springer Science & Business Media, 2013.
  6. Stephen M Stigler. Stigler's law of eponymy. Transactions of the New York Academy of Sciences, 39(1 Series II):147157, 1980.
  7. F. dell'Isola, U. Andreaus, and L. Placidi. At the origins and in the vanguard of peridynamics, non-local and higher-gradient continuum mechanics: An underestimated and still topical contribution of Gabrio Piola. Mathematics and Mechanics of Solids, 20(8):887928, 2015.
  8. F. dell'Isola, A. Della Corte, and I. Giorgio. Higher-gradient continua: The legacy of Piola, Mindlin, Sedov and Toupin and some future research perspectives. Mathematics and Mechanics of Solids, 22(4):852872, 2017.
  9. D. Del Vescovo and I. Giorgio. Dynamic problems for metamaterials: review of existing models and ideas for further research. International Journal of Engineering Science, 80:153172, 2014.
  10. F. dell'Isola, T. Lekszycki, M. Pawlikowski, R. Grygoruk, and L. Greco. Designing a light fabric metamaterial being highly macroscopically tough under directional extension: rst experimental evidence. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 66:34733498, 2015.
  11. J-J. Alibert, P. Seppecher, and F. dell'Isola. Truss modular beams with deformation energy depending on higher displacement gradients. Mathematics and Mechanics of Solids, 8(1):5173, 2003. otwiera się w nowej karcie
  12. Catherine Pideri and Pierre Seppecher. A second gradient material resulting from the homogenization of an heterogeneous linear elastic medium. Continuum Mechanics and Thermodynamics, 9(5):241257, 1997. otwiera się w nowej karcie
  13. F. dell'Isola, I. Giorgio, M. Pawlikowski, and N. Rizzi. Large deformations of planar extensible beams and pantographic lattices: heuristic homogenization, experimental and numerical examples of equilibrium. Proc. R. Soc. A, 472(2185):23 pages, 2016.
  14. F. dell Isola, P. Seppecher, and A. Della Corte. The postulations á la d alembert and á la cauchy for higher gradient continuum theories are equivalent: a review of existing results. In Proc. R. Soc. A, volume 471, page 20150415. The Royal Society, 2015.
  15. N. Auray, F. dell'Isola, V. Eremeyev, A. Madeo, and G. Rosi. Analytical continuum mechanics à la Hamilton Piola least action principle for second gradient continua and capillary uids. Mathematics and Mechanics of Solids, 20(4):375417, 2015. otwiera się w nowej karcie
  16. H. Altenbach and V. Eremeyev. On the linear theory of micropolar plates. ZAMM-Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 89(4):242256, 2009. otwiera się w nowej karcie
  17. W. Pietraszkiewicz and V. Eremeyev. On natural strain measures of the non-linear micropolar continuum. International Journal of Solids and Structures, 46(3):774787, 2009. otwiera się w nowej karcie
  18. Y. Rahali, I. Giorgio, J.F. Ganghoer, and F. dell'Isola. Homogenization à la piola produces second gradient continuum models for linear pantographic lattices. International Journal of Engineering Science, 97:148172, 2015. otwiera się w nowej karcie
  19. A. Bilotta, G. Formica, and E. Turco. Performance of a high-continuity nite element in three-dimensional elasticity. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering, 26(9):11551175, 2010. otwiera się w nowej karcie
  20. A. Cazzani, M. Malagù, and E. Turco. Isogeometric analysis: a powerful numerical tool for the elastic analysis of historical masonry arches. Continuum Mechanics and Thermodynamics, 28(1-2):139156, 2016. otwiera się w nowej karcie
  21. M de Saint-Venant. Mémoire sur la torsion des prismes: avec des considérations sur leur exion ainsi que sur l'équilibre intérieur des solides élastiques en général: et des formules pratiques pour le calcul de leur résistance à divers eorts s' exerçant simultanément. Imprimerie nationale, 1856.
  22. RD Mindlin and HF Tiersten. Eects of couple-stresses in linear elasticity. Archive for Rational Mechanics and analysis, 11(1):415448, 1962. otwiera się w nowej karcie
  23. OW Dillon and P Perzyna. Gradient theory of materials with memory and internal changes. ARCHIVES OF MECHANICS, 24(5-6):727747, 1972.
  24. H Abdoul-Anziz and Pierre Seppecher. Strain gradient and generalized continua obtained by homogenizing frame lattices. 2017.
  25. Emilio Turco, Ivan Giorgio, Anil Misra, and Francesco dell'Isola. King post truss as a motif for internal structure of (meta) material with controlled elastic properties. Open Science, 4(10):171153, 2017. otwiera się w nowej karcie
  26. G.C. Everstine and A.C. Pipkin. Boundary layers in ber-reinforced materials. J. Appl. Mech., 40:518522, 1973. Pantographic metamaterials 39 otwiera się w nowej karcie
  27. M.G. Hilgers and A.C. Pipkin. Elastic sheets with bending stiness. Q. J. Mech. Appl. Math., 45:5775, 1992. otwiera się w nowej karcie
  28. M.G. Hilgers and A.C. Pipkin. Energy-minimizing deformations of elastic sheets with bending stiness. J. Elast., 31:125139, 1993. otwiera się w nowej karcie
  29. M.G. Hilgers and A.C. Pipkin. Bending energy of highly elastic membranes ii. Q. Appl. Math, 54:307316, 1996. otwiera się w nowej karcie
  30. M.Z. Hu, H. Kolsky, and A.C. Pipkin. Bending theory for ber-reinforced beams. J. Compos. Mater, pages 235249, 1985. otwiera się w nowej karcie
  31. A.C. Pipkin. Generalized plane deformations of ideal ber-reinforced materials. Q. Appl. Math, 32:253263, 1974. otwiera się w nowej karcie
  32. A.C. Pipkin. Energy changes in ideal ber-reinforced composites. Q. Appl. Math, 35:455463, 1978. otwiera się w nowej karcie
  33. A.C. Pipkin. Some developments in the theory of inextensible networks. Q. Appl. Math, 38:343355, 1980. otwiera się w nowej karcie
  34. F. dell'Isola, M.V. d'Agostino, A. Madeo, P. Boisse, and D. Steigmann. Minimization of shear energy in two dimensional continua with two orthogonal families of inextensible bers: the case of standard bias extension test. Journal of Elasticity, 122(2):131155, 2016.
  35. L. Placidi, L. Greco, S. Bucci, E. Turco, and N.L. Rizzi. A second gradient formulation for a 2d fabric sheet with inextensible bres. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 67(5)(114), 2016. otwiera się w nowej karcie
  36. RS Rivlin. Plane strain of a net formed by inextensible cords. In Collected Papers of RS Rivlin, pages 511534. Springer, 1997. otwiera się w nowej karcie
  37. I. Giorgio. Numerical identication procedure between a micro-cauchy model and a macro-second gradient model for planar pantographic structures. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 67(4)(95), 2016. otwiera się w nowej karcie
  38. E. Turco, F. dell'Isola, A. Cazzani, and N.L. Rizzi. Hencky-type discrete model for pantographic structures: numerical comparison with second gradient continuum models. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 67:28 pages, 2016. otwiera się w nowej karcie
  39. Victor A Eremeyev, Francesco dell'Isola, Claude Boutin, and David Steigmann. Linear pantographic sheets: existence and uniqueness of weak solutions. 2017.
  40. L. Placidi, E. Barchiesi, E. Turco, and N.L. Rizzi. A review on 2D models for the description of pantographic fabrics. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 67(5)(121), 2016. otwiera się w nowej karcie
  41. F. dell'Isola and D.J. Steigmann. A two-dimensional gradient-elasticity theory for woven fabrics. J. Elasticity, 18:113125, 2015.
  42. I. Giorgio, R. Grygoruk, F. dell'Isola, and D.J. Steigmann. Pattern formation in the three-dimensional deformations of bered sheets. Mechanics Research Communications, 69:164171, 2015. otwiera się w nowej karcie
  43. I. Giorgio, N.L. Rizzi, and E. Turco. Continuum modelling of pantographic sheets for out-of-plane bifurcation and vibrational analysis. Proc. R. Soc. A, page 21 pages, 2017 (http://dx.doi.org/10.1098/rspa.2017.0636). otwiera się w nowej karcie
  44. N. Auray, J. Dirrenberger, and G. Rosi. A complete description of bi-dimensional anisotropic strain-gradient elasticity. International Journal of Solids and Structures, 69:195206, 2015. otwiera się w nowej karcie
  45. C. Boutin, F. dell'Isola, I. Giorgio, and L. Placidi. Linear pantographic sheets: Asymptotic micro-macro models identication. Mathematics and Mechanics of Complex Systems, 5(2):127162, 2017. otwiera się w nowej karcie
  46. L. Placidi, U. Andreaus, A. Della Corte, and T. Lekszycki. Gedanken experiments for the determination of two-dimensional linear second gradient elasticity coecients. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik, 66(6):36993725, 2015. otwiera się w nowej karcie
  47. L. Placidi, E. Barchiesi, and A. Battista. An inverse method to get further analytical solutions for a class of metamaterials aimed to validate numerical integrations. In Mathematical Modelling in Solid Mechanics, pages 193210. Springer, 2017. otwiera się w nowej karcie
  48. D. Scerrato, I.A. Zhurba Eremeeva, T. Lekszycki, and N.L. Rizzi. On the eect of shear stiness on the plane deformation of linear second gradient pantographic sheets. ZAMM-Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 96(11):12681279, 2016. otwiera się w nowej karcie
  49. F. dell'Isola, I. Giorgio, and U. Andreaus. Elastic pantographic 2d lattices: a numerical analysis on static response and wave propagation. In Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, volume 64, pages 219225, 2015.
  50. F. dell'Isola, A. Della Corte, I. Giorgio, and D. Scerrato. Pantographic 2D sheets: Discussion of some numerical investigations and potential applications. International Journal of Non-Linear Mechanics, 80:200208, 2016.
  51. A. Madeo, A. Della Corte, L. Greco, and P. Ne. Wave propagation in pantographic 2d lattices with internal discontinuities. arXiv preprint arXiv:1412.3926, 2014. otwiera się w nowej karcie
  52. E. Turco, F. dell'Isola, N.L. Rizzi, R. Grygoruk, W.H. Müller, and C. Liebold. Fiber rupture in sheared planar pantographic sheets: Numerical and experimental evidence. Mechanics Research Communications, 76:8690, 2016. otwiera się w nowej karcie
  53. M. Spagnuolo, K. Barcz, A. Pfa, F. dell'Isola, and P. Franciosi. Qualitative pivot damage analysis in aluminum printed pantographic sheets: numerics and experiments. Mechanics Research Communications, 2017. otwiera się w nowej karcie
  54. G. Ganzosch, F. dell'Isola, e. Turco, T. Lekszycki, and W.H. Müller. Shearing tests applied to pantographic structures. Acta Polytechnica CTU Proceedings, 7:16, 2016. 40 otwiera się w nowej karcie
  55. Francesco dell'Isola et al.
  56. E. Turco, M. Golaszewski, I. Giorgio, and F. D'Annibale. Pantographic lattices with non-orthogonal bres: Experiments and their numerical simulations. Composites Part B: Engineering, 118:114, 2017. otwiera się w nowej karcie
  57. Michael A Sutton, Jean Jose Orteu, and Hubert Schreier. Image correlation for shape, motion and deforma- tion measurements: basic concepts, theory and applications. Springer Science & Business Media, 2009.
  58. Francois Hild and Stéphane Roux. Digital image correlation. Wiley-VCH, Weinheim, 2012. otwiera się w nowej karcie
  59. Zvonimir Tomi£ev¢, François Hild, and Stéphane Roux. Mechanics-aided digital image correlation. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 48(5):330343, 2013.
  60. Hugo Leclerc, Jean-Noël Périé, Stéphane Roux, and François Hild. Integrated digital image correlation for the identication of mechanical properties. In International Conference on Computer Vision/Computer Graphics Collaboration Techniques and Applications, pages 161171. Springer, 2009. otwiera się w nowej karcie
  61. François Hild, Stéphane Roux, Renaud Gras, Néstor Guerrero, Maria Eugenia Marante, and Julio Flórez- López. Displacement measurement technique for beam kinematics. Optics and Lasers in Engineering, 47(3):495503, 2009. otwiera się w nowej karcie
  62. François Hild and Stéphane Roux. Comparison of local and global approaches to digital image correlation. Experimental Mechanics, 52(9):15031519, 2012. otwiera się w nowej karcie
Weryfikacja:
Politechnika Gdańska

wyświetlono 143 razy

Publikacje, które mogą cię zainteresować

Meta Tagi