Obiectivele generale ale proiectului:

O1. Stadiul actual al metamaterialelor mecanice

O2. Modelarea structurilor de metamateriale

O3. Evaluarea numerică a proprietăților mecanice ale structurilor obținute

O4. Fabricarea de structuri de metamateriale

O5. Determinarea experimentală a proprietăților mecanice ale structurilor de metamateriale

O6. Dezvoltarea de produse bazate pe structuri de metamateriale

Obiectivele fazei de execuție:

O6. Dezvoltarea de produse bazate pe structuri de metamateriale

1. Rezumatul Fazei de execuție numărul 3

În Faza de execuție cu numărul 3 au fost efectuate activități din cadrul obiectivului O6, determinarea experimentală a proprietăților materialelor utilizate în fabricarea echipamentelor de protecție și dezvoltarea de produse noi bazate pe structuri de metamateriale. S-au obținut rezultate experimentale pentru comportamentul mecanic al spumelor rigide și flexibile utilizate în fabricarea echipamentelor de protecție (căști, veste, mănuși etc. capitonate cu materiale cu proprietăți sporite de absorbție a energiei) și au fost calibrate modele numerice. Cu ajutorul acestor s-au efectuat analize numerice de impact asupra unui ansamblu format dintr-un cap și o cască, comparându-se rezultatele pentru capitonări cu spumă poliuretanică și cu o structură de tip Kelvin. 

2. Descrierea științifică și tehnică

Pentru a putea compara rezultatele unor noi modele de echipamente de protecție, este necesară determinarea proprietăților materialelor ce intră în componența echipamentelor de protecție convenționale. În acest scop, s-a ales investigarea proprietăților mecanice a două tipuri de materiale utilizate în echipamente de protecție: spume poliuretanice rigide și spume flexibile din acetat de etilen-vinil (EVA), rezultatele pentru acest tip de material nefiind prezentate în acest raport.

În primă fază, s-au efectuat teste de compresiune și de tracțiune pe epruvete din spumă poliuretanică de densitate de 100 kg/m3, rezultatele fiind prezentate în Fig. 1.

Pentru a putea aproxima cât mai exact comportamentul structurilor poliuretanice în timpul solicitărilor, a fost nevoie de calibrarea unui model de degradare. Pentru modelarea cedării spumelor poliuretanice a fost folosit un model care presupune că deformația plastică critică  este o funcție de viteza de deformație plastică, de starea de triaxialitate a tensiunii și de parametrul unghiului Lode [1, 2].

 (1)

ynde 

     η este starea de triaxialitate a tensiunii, exprimată ca raportul dintre presiunea hidrostatică p și tensiunea echivalentă von Mises q

 (2a)

 (2b)

 (2c)

,  și  fiind tensiunile principale

     ξ este parametrul unghiului Lode exprimat ca

 (3a)

 (3b)

 este viteza de deformație plastică

Pentru a determina deformația plastică critică pentru diferite valori ale stării de triaxialitate a tensiunii s-au fabricat epruvete cilindrice din poliuretan cu diferite raze de racord [3] (Fig. 2 a). Asupra acestora s-au efectuat teste de tracțiune, rezultatele fiind prezentate în Fig. 2 b. Pe baza acestor rezultate, s-au efectuat analize numerice asupra unor modele având geometrii identice și ca model de material, o formulare elastic-plastică bazată pe curbele de tracțiune obținute anterior [4]. Epruvetelor li s-a impus deplasarea critică determinată experimental, în acel stadiu înregistrându-se deformația plastică, starea de triaxialitate a tensiunii și parametrul unghiului Lode. Pe baza rezultatelor, s-a trasa o variație a deformației plastice critice cu starea de triaxialitate a tensiunii [5] (Fig. 3).

O procedură similară s-a aplicat materialului folosit în prototipare rapidă, în scopul modelării comportamentului structurilor la deformații mari. În acest caz, s-au utilizat epruvete plate bazate pe cele prezentate în standardul ISO 527 [6] cu diferite raze de racord (Fig. 4 a), rezultatele testelor de tracțiune fiind prezentate în Fig. 4 b. 

Exact ca în cazul spumelor poliuretanice, au fost efectuate analize numerice pe modele cu geometrii identice cu cele prototipate, variația deformației plastice critice cu starea de triaxialitate a tensiunii fiind prezentată în Fig. 5.

Modelul de material a fost validat prin realizarea unei simulări în condiții similare testelor de compresiune efectuate pe structuri (Fig. 6a), curbele tensiune-deformație fiind similare (Fig. 6b). 

Următorul pas a constat în alegerea unui tip de echipament de protecție care ar putea fi îmbunătățit prin utilizarea de structuri de metamateriale pe post de căptușeală. În urma studiului efectuat s-a constatat că varianta ce prezintă cea mai facilă implementare o reprezintă căștile ce sunt prevăzute cu căptușeală detașabilă (Fig. 7).

Pe baza acestei construcții s-a realizat un model CAD având ca și subansamble un model de cap și o cască (Fig. 8 a), având ca și componente un înveliș exterior și o căptușeală (Fig. 8 b).

Pentru acest model s-a realizat o structură de metamateriale bazată pe celule de tip Kelvin (Fig. 9 a) cu o geometrie adecvată incorporării în cască (Fig. 9 b), având o densitate similară cu cea a spumei poliuretanice (100 kg/m3), rezultând un raport d/l de 0.37 [4].