Design and failure assessment of nature-inspired interlocking joints

Abstract

Naturen bruker geometri på smarte måter for å bruke ellers uegnete materialer til å passe spesifikke bruksområder. Design kan forbedres ved å lære om bruken og begrensningene til disse naturlige fenomenene. En av disse er sutur. Suturer brukes i naturen til å lage sterke sammenføyninger. De statiske egenskapene til en enkel sammenlåsende sutur blir testet først, og så testes utmattingsegenskapene. Suturen blir sterkere og sterkere jo høyere sammenlåsingsvinkelen er. Ved små vinkler vil fliken på suturen kunne trekkes ut av suturen med relativt lite kraft. Ved større vinkler vil kraften fordeles over et mindre tverrsnitt så spenningen i nakken på suturen vil være høyere. Ved høyere vinkler kan altså suturene ta imot større krefter, men de er mer utsatt for kritiske feilmoduser. Forskningen gjort i denne oppgaven peker på at suturer med lavere vinkler er bedre egnet til å motstå utmatting og suturer med høyere vinkler er bedre egnet til å motstå høye laster uten syklisk belastning. For å være sikker kreves det mer forskning på området. Fremover burde dette forskningsområdet sette søkelys på forskjellige geometrier og egenskaper, blant annet hierarkiske strukturer, klaring, friksjon, forskjellige material egenskaper, miksing av materialer og bruk av suturer for å lage et metamateriale.

Nature use geometry in ingenious ways to exploit otherwise unsuited materials to fit special use cases. Mechanical design can be improved by learning the uses and limitations of these exploits. One such feature is sutures. Sutures are used in nature to create strong connections. The static properties of a simple interlocking suture are tested before studying fatigue properties of such a suture. The suture becomes increasingly stronger with higher interlocking angles. At small angles, the tab will pull out of the suture with relatively little force. At higher angles, the load is distributed over a smaller cross-section so the stress throughout the neck is higher. The high angle sutures can handle larger loads but is subjected to more critical modes of failure. The research done in this thesis suggest lower angle sutures are better suited to withstand fatigue and higher angle sutures are better suited for high load applications without cyclic loading. This should be researched further to get a definitive answer. Future work should focus on different geometries and properties including hierarchical structures, clearance, friction, different material properties, mixing materials, and using rows of sutures to construct a metamaterial.