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物理学 > 计算物理

arXiv:2502.17685 (physics)
[提交于 2025年2月24日 ]

标题: 通过随机化和双稳态设计弹性结构

标题: Design of resilient structures by randomization and bistability

Authors:Debdeep Bhattacharya, Tyler P. Evans, Andrej Cherkaev
摘要: 本文研究了提高防护结构抗冲击能力的各种方法。 这些结构的目的是耗散冲击能量,同时避免开裂和失效。 我们测试了平面弹性脆性晶格对脉冲的反应。 比较了四种拓扑结构:周期性的三角形、正方形和六边形拓扑结构,以及非周期性的彭罗斯拓扑结构。 然后比较了具有链接刚度、节点位置和随机孔洞的随机变化的结构。 还考虑了这些随机因素的组合,以及具有牺牲链接的双稳态弹性脆性晶格的抗冲击性。 引入了几个参数来衡量所比较设计的结构抗冲击性:(i) 耗散冲击能量的数量,(ii) 链接断裂簇的大小,以及 (iii) 损伤的扩散程度。 结果表明,使用非周期性拓扑、双稳性和结构随机性可以为合理设计防护结构提供新途径。 特别是,我们发现通过适当调整随机设计,某些感兴趣的数量可以最大化——例如,随机移除8%的链接可以最大化能量耗散。 我们还发现,双稳态晶格的随机化可以在减少链接断裂簇之间连接性的同时提供更优的能量耗散。
摘要: This paper examines various ways of improving the impact resilience of protective structures. Such structures' purpose is to dissipate an impact's energy while avoiding cracking and failure. We have tested the reaction of plane elastic-brittle lattices to an impulse. Four topologies are compared: periodic triangular, square, and hexagonal topologies, and aperiodic Penrose topology. Then, structures with random variations of the links' stiffness, node positions, and random holes are compared. Combinations of these random factors are also considered, as well as the resilience of bistable elastic-brittle lattices with sacrificial links. Several parameters are introduced to measure the structural resilience of the compared designs: (i) the amount of dissipated impact energy, (ii) the size of broken clusters of links, and (iii) the spread of damage. The results suggest new routes for rationally designing protective structures using nonperiodic topology, bistability, and structural randomness. In particular, we find that some quantities of interest can be maximized by tuning the randomized design appropriately -- for example, randomly removing 8\% of links maximizes energy dissipation. We also find that randomization of bistable lattices can offer superior energy dissipation while reducing the connectivity between broken clusters of links.
主题: 计算物理 (physics.comp-ph)
引用方式: arXiv:2502.17685 [physics.comp-ph]
  (或者 arXiv:2502.17685v1 [physics.comp-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.17685
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Tyler Evans [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 2 月 24 日 22:11:16 UTC (3,926 KB)
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