Решётчатые материалы по мотивам губок выдержали на 140% большую нагрузку

Исследователи из UC Berkeley, Гарвардского университета и Стамбульского технического университета разработали метод автоматического проектирования решётчатых метаматериалов, вдохновлённый скелетом глубоководной губки Euplectella aspergillum. В лабораторных образцах оптимизированные структуры в среднем выдерживали на 140% большую критическую нагрузку потери устойчивости, чем базовые варианты при сопоставимой доле материала.

Euplectella aspergillum, также известная как «корзинка Венеры», формирует лёгкий и прочный трубчатый каркас из биогенного кремнезёма. Его пересекающиеся рёбра и диагональные элементы помогают губке сохранять форму на большой глубине, где на конструкцию одновременно действуют давление и поток воды.

Авторы работы перенесли этот принцип в цифровую среду. Они объединили метод конечных элементов для оценки механической прочности, вычислительную гидродинамику для анализа обтекания и многоцелевую байесовскую оптимизацию. Алгоритм перебирал большое число геометрий и отбирал варианты, в которых решётка одновременно сопротивляется сжатию и уменьшает влияние потока жидкости или газа.

Согласно статье в Nature Communications, у оптимизированных решёток выросла критическая нагрузка потери устойчивости, а сопротивление, подъёмная сила и вихреобразование снизились даже при пористости 5%. Иными словами, конструкция должна не только выдерживать нагрузку, но и меньше вибрировать при обтекании.

Для проверки результатов исследователи изготовили выбранные варианты методом стереолитографической 3D-печати. Затем образцы испытывали на сжатие и изучали движение частиц в потоке жидкости. Эксперименты показали согласие с расчётами, однако речь пока идёт о демонстрационных решётчатых образцах, а не о готовом промышленном материале.

В перспективе подход может быть полезен при создании лёгких элементов авиационных конструкций, подводных трубопроводов, опор, теплообменников и медицинских стентов. Конкретные изделия, сроки внедрения и экономические параметры работы не определяет.

Источник: New Atlas