具有可调双稳态与卷曲行为的折痕环带的连续建模
软凝聚态物质
2023-03-21 v2
摘要
折痕被有意引入薄层结构，以设计可展开折纸、艺术几何形体以及具有可调非线性力学行为的功能结构。对折痕结构的力学建模具有挑战性，因为折痕引入了几何不连续性，且常因局部材料损伤而呈现复杂的力学响应。本工作中，我们提出一种描述折痕尖锐几何的连续方法，并将其应用于研究折痕环带——即通过向环形条带引入径向折痕、且折痕经退火处理后表现为弹性行为而制成。我们发现折痕环带具有普适的双稳态，并可根据折痕图案与平面环带的过曲率折叠成多种紧凑形状。我们使用正则化狄拉克δ函数（RDDF）描述折痕几何，以RDDF的有限尖峰捕捉局域曲率。结合各向异性杆理论，我们求解了折痕环带的非线性力学，其稳定性由标准共轭点检验确定。我们发现精密台架模型、解析框架的数值预测与有限元模拟结果之间高度吻合。我们进一步表明，通过改变薄条带的休止曲率，可实现折痕环带不同状态间的动态切换，这可为新型可展开与可变形的结构设计提供灵感。我们相信这种对不连续几何的光滑描述将有益于广泛工程结构中几何与材料不连续性的力学建模与设计。
引用
@article{arxiv.2205.13737,
title = {Continuous modeling of creased annuli with tunable bistable and looping behaviors},
author = {Tian Yu and Francesco Marmo and Pasquale Cesarano and Sigrid Adriaenssens},
journal= {arXiv preprint arXiv:2205.13737},
year = {2023}
}