Исследователи создали микроструктуры, чтобы защитить дефект, как кролик. Кредит: Паулино и др./Принстонский университет
Будь то проектирование окна в авиалайнере или кабельный канал для двигателя, производители прилагают много усилий для укрепления отверстий для целостности конструкции. Но подкрепление редко совершенное и часто создает структурные слабости в других местах.
Теперь инженеры из Принстона и технологического института Грузии разработали метод, который может поддерживать структурную целостность, по существу скрывая отверстие от окружающих сил. Вместо того, чтобы укреплять отверстие для защиты от нескольких избранных сил, новый подход реорганизует почти любой набор сил, которые могут повлиять на окружающий материал, чтобы избежать отверстия.
В статье под названием «Непредвзятые механические плащи» в Труды Национальной академии наукИсследователи сказали, что они окружали отверстия микроструктурами, предназначенными для защиты от многих нагрузок — внешних сил, которые вызывают стресс, движение или деформацию. Форма и ориентация микроструктур откалиброваны для работы с наиболее сложными нагрузками, с которыми сталкиваются структура, что позволяет дизайнерам противостоять нескольким напряжениям одновременно.
«Подумайте о тарелке с отверстием в ней. Если вы поставите ее под напряжение, если вы натягиваете ее, вы получите концентрацию напряжения, где тарелка не удается раньше, чем без дыры», — сказала Эмили Д. Сандерс, доцент кафедры машиностроения в Georgia Tech и один из авторов. «Мы хотим создать что -то вокруг этой дыры или дефекта, поэтому кажется, что отверстия не существует».
Цветовая шкала указывает плотность микроструктур в физическом плаще. Красные области более плотные, желтые находятся посередине, а синие наименее плотные. Кредит: Паулино и др./Принстонский университет
Глаусио Паулино, главный автор и профессор инженерии в Принстоне в Принстоне, Маргарета Энгман Августин сказал, что дизайнеры обычно укрепляют структуру в таких отверстиях, как окна или туннели. Но он сказал, что, увеличивая структурную силу в одном направлении, усиление может представить другие проблемы, создавая новый стресс в другом направлении.
Целью техники маскировки является защита структуры путем перенаправления силы без создания новых или нежелательных уровней стресса.
Исследователи были вдохновлены узлами на деревьях, где кажется, что микроструктуры в узлах деревьев прямой силы вокруг места вторжений, таких как ветви или корни, и поддерживают структурную силу. Исследователи хотели знать, смогут ли они разработать структуры, чтобы сделать то же самое в изготовленных материалах.
Паулино сказал, что метод основан на двух задачах оптимизации, которые предназначены для выбора лучших решений из ряда вариантов. Первая проблема раскрывает нагрузки, которые приведут к наибольшей задаче структуры объекта. Это сложнее, чем кажется, потому что нагрузка на структуру или машину может измениться при обстоятельствах.
«Любая структура может иметь бесконечное количество нагрузок. Каждый раз, когда вы водите свой автомобиль, нагрузки разные, ветер может дуть в разных направлениях, или температура может колебаться», — сказал Паулино.
Тот же плащ без маркировки для плотности. Кредит: Паулино и др./Принстонский университет
Исследователи обнаружили, что расчет от шести до 10 наихудших нагрузок для структуры дает наиболее эффективные результаты. С помощью этой информации они запускают вторую проблему оптимизации, чтобы найти наиболее эффективный способ создания и развертывания микроструктур, окружающих окно или трубопровод.
«Метод оптимизации, введенный авторами, представляет собой методологию прорыва для достижения невидимости дефекта, независимо от направления какой -либо извне применяемой силы», — сказал Давиде Бигони, профессор твердой и структурной механики в Университете Ди Тренто в Италии.
«Это приводит к всенаправленному маскированию, свойству с широкими применениями. Они включают в себя обеспечение нейтральности механического напряжения в замене ткани органов, модификацию структурных элементов для облегчения прохождения установки в машине или гражданской инфраструктуре и усиления реставрации произведений искусства».
Идея похожа на методы маскировки, которые были разработаны, чтобы скрыть объекты на электромагнитном спектре, таких как стелс -самолет. Паулино объяснил, что уравнения для твердого материала могут быть более сложными, чем уравнения для электромагнетизма. Но он сказал, что цель такая же.
«Любое упругое беспокойство скрыто плащом», — сказал он. «Как будто его не существует».
Больше информации:
Паулино, Глаусио Х., Непреднамеренные механические плащи, Труды Национальной академии наук (2025). Doi: 10.1073/pnas.2415056122. doi.org/10.1073/pnas.2415056122
Информация журнала:
Труды Национальной академии наук, предоставленных Принстонским университетом
Цитирование: Физическое маскирование работает как исчезающий акт для структурных дефектов (2025, 5 мая). Получено 6 мая 2025 года из этого документа подлежит авторским правам. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
