3D-Printed Programmable Mechanical Metamaterials for Vibration Isolation and Buckling Control

刚度 超材料 隔振 结构工程 振动 有限元法 材料科学 屈曲 振动控制 流离失所(心理学) 声学 工程类 物理 光电子学 心理学 心理治疗师
作者
Ali Zolfagharian,Mahdi Bodaghi,Ramin Hamzehei,Liam Parr,Mohammad Fard,Bernard Rolfe
出处
期刊:Sustainability [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:14 (11): 6831-6831 被引量:56
标识
DOI:10.3390/su14116831
摘要

Vibration isolation performance at low-frequency ranges before resonance is a vital characteristic that conventional springs cannot exhibit. This paper introduces a novel zero Poisson’s ratio graded cylindrical metamaterial to fulfill two main goals: (1) vibration isolation performance in low-frequency bands prior to resonance and (2) global buckling control of a long cylindrical tube. For this purpose, “soft and stiff” re-entrant unit cells with varying stiffness were developed. The cylindrical metamaterials were then fabricated using a multi-jet fusion HP three-dimensional (3D) printer. The finite element analyses (FEA) and experimental results demonstrate that the simultaneous existence of multi-stiffness unit cells leads to quasi-zero stiffness (QZS) regions in the force-displacement relationship of a cylindrical metamaterial under compression. They possess significant vibration isolation performance at frequency ranges between 10 and 30 Hz. The proposed multi-stiffness re-entrant unit cells also offer global buckling control of long cylindrical tubes (with a length to diameter ratio of 3.7). The simultaneous existence of multi-stiffness re-entrant unit cells provides a feature for designers to adjust and control the deformation patterns and unit cells’ densification throughout cylindrical tubes.

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