Numerical investigation on the compressive behaviors of Islamic geometric patterns inspired architectured material

Abstract

De bemerkelsesverdige mekaniske ytelsene til arkitektonerte materialer—komponert av nøye designet byggeklosser - har mottatt økende interesser fra vitenskap og ingeniørfag samfunnet de siste tiårene. Blant arkitektoniske materialer, spesielt gittermaterialer dreid ut til å være de mest lovende siden de tilbyr mange attraktive egenskaper for ingeniørapplikasjoner—f.eks. lett, auxetisk effekt og høyt styrke-til-vekt-forhold. Inspirert av tradisjonell Islamic geometric patterns (IGPs), dette bidraget undersøker en ny familie av gittermaterialer med geometriske mønstre lett kontrollert av en enkelt designparameter utledet av Hasba metode. Den mekaniske oppførselen til disse IGP-inspirerte gittermaterialene analyseres numerisk ved hjelp av finite element-analyse via den kommersielle programvaren Abaqus. I detalj den enaksede komprimeringsegenskaper til fem IGP-inspirerte gittermaterialer under kvasistatiske tilstander har vært undersøkt systematisk. Både spenne- og etterspenneanalyse er utført for å forstå strukturell ustabilitet til disse nye gittermaterialene. Dessuten elastisk-perfekt plast og hyperelastiske materialmodeller har blitt brukt for å undersøke det lineære og ikke-lineære hhv. oppførsel. Sammenlignet med tradisjonelt gitterlignende gittermateriale og sirkulært gitter materialer, tilbyr det nye IGP-inspirerte gittermaterialet et sterkt potensial for å justere effektiv stivhet og kritisk knekkstyrke og åpner dermed for nye applikasjonsmuligheter.

The remarkable mechanical performances of architectured materials—composed by carefully designed building blocks—have received increasing interests from scientific and engineering community in recent decades. Among architectured materials, in particular lattice materials turned out to be the most promising as they offer many attractive properties for engineering applications—e.g., lightweight, auxetic effect, and high strength-to-weight ratio. Inspired by traditional Islamic geometric patterns (IGPs), this contribution investigates a new family of lattice materials with geometrical patterns easily controlled by a single designing parameter derived by the Hasba method. The mechanical behavior of these IGP-inspired lattice materials is analyzed numerically using finite element analysis via the commercial software Abaqus. In detail the uniaxial compressive properties of five IGP-inspired lattice materials under quasi-static condition have been investigated systematically. Both buckle and post-buckle analysis have been performed to understand structural instability of these novel lattice materials. Moreover, elastic-perfect plastic and hyperelastic material models have been employed to investigate the linear and nonlinear behavior respectively. Compared with traditional grid-like lattice material and circular-like lattice materials, the novel IGP-inspired lattice material offers strong potential in tuning effective stiffness and critical buckling strength thus opening new application capabilities.