Diseño bio-inspirado de las propiedades mecánicas de las estructuras híbridas topológicas de panal celular

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Ingeniería mecánica
• Mecánica computacional

Sus antecedentes:

• Las estructuras de nido de abeja ofrecen excelentes propiedades mecánicas para aplicaciones de protección contra impactos y soportes ligeros.
• Los sistemas de soporte biológico inspiran diseños estructurales avanzados.
• Las estructuras de panal celular topológico híbrido (HTCHS) integran múltiples topologías celulares.

Objetivo del estudio:

• Introducir y fabricar un nuevo HTCHS utilizando el modelado de deposición fundida (FDM) con PETG.
• Desarrollar y validar un modelo de elementos finitos para el HTCHS utilizando LS-DYNA.
• Investigar la influencia de los parámetros topológicos de las celdas sobre la absorción de la energía de compresión y la fuerza máxima de trituración.

Principales métodos:

• Fabricación de muestras HTCHS utilizando FDM con PETG.
• Desarrollo de un modelo de elementos finitos LS-DYNA validado para el HTCHS.
• Modelado paramétrico para estudiar el efecto de los parámetros celulares (T1-T4) en las propiedades mecánicas.
• Optimización de HTCHS utilizando un marco de diseño discreto con codificación de células y algoritmo MOPSO.

Principales resultados:

• El modelo de elementos finitos predice con precisión el comportamiento de HTCHS, validado por datos experimentales.
• Las propiedades mecánicas son sensibles a los parámetros celulares en diferentes ubicaciones; los aumentos monótonos no garantizan una mejor absorción de energía.
• Los diseños no periódicos y los parámetros locales optimizados mejoran significativamente el rendimiento mecánico.

Conclusiones:

• El estudio presenta un método eficaz para fabricar y optimizar HTCHS con propiedades mecánicas ajustables.
• El marco de optimización desarrollado proporciona una vía para diseñar estructuras de panal celular de próxima generación.
• HTCHS demuestran potencial para aplicaciones avanzadas que requieren resistencia al impacto y características de ligereza adaptadas.