The effect of nodal dispersion on the strength and ductility of the finite triangular lattice using ductile material.

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-06-10
Department
Major/Subject
Solid Mechanics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
68 +5
Series
Abstract
Lattice materials are engineered structures with repeating patterns, offering high stiffness, strength, and fracture toughness with low density, making them valuable in various engineering applications. This thesis investigates the behaviour of finite triangular lattices made from ductile materials under imperfections of varying degrees of nodal dispersion. This research addresses a gap in existing literature concerning the impact of nodal dispersion imperfections on ductile lattice materials, a topic with significant implications for practical applications where manufacturing imperfections are inevitable. The study aims to understand how nodal dispersion affects the ductility, ultimate tensile strength, and work of fracture of the triangular lattice. Explicit finite element analysis is used to evaluate these properties, with model parameters optimized through sensitivity analyses of specimen width, mesh size, mass scaling, and the number of repetitions. Implicit simulations are also conducted to compare the modulus behaviour with established literature. Key findings reveal that while tensile strength remains relatively insensitive to nodal dispersion, both ductility and work of fracture significantly decrease with increased dispersion. A nodal dispersion magnitude of 0,1 strut lengths results in around 40% reduction in ductility and work of fracture, whereas tensile strength is reduced by less than 5%. The study also examines how variations in lattice relative density, parent material fracture strain, and strain hardening exponent influence these properties, highlighting their complex relationship with normalized ductility and normalized tensile strength. The results emphasize the need to consider multiple material properties when predicting the behaviour of ductile lattices with imperfections. Future research should validate these findings experimentally and explore models with periodic boundary conditions for further analysis.

Gittermaterial är konstruerade strukturer med upprepade mönster som erbjuder hög styvhet, styrka och brotthållfasthet med låg densitet, vilket gör dem värdefulla i olika tekniska tillämpningar. Denna avhandling undersöker beteendet hos ändliga triangulära gitter tillverkade av formbara material under olika grader av nodal dispersion. Denna forskning fyller en lucka i befintlig litteratur rörande påverkan av nodala dispersionsimperfektioner på formbara gittermaterial, ett ämne med betydande implikationer för praktiska tillämpningar där tillverkningsimperfektioner är oundvikliga. Målet med denna studie är att förstå hur nodal dispersion påverkar formbarheten, draghållfastheten och brottsarbete hos det triangulära gittermaterialet. Explicita finita elementanalyser används för att utvärdera dessa egenskaper, med modellparametrar optimerade genom känslighetsanalyser av gitterbredd, nätstorlek, masskalning och antal upprepningar. Implicita simuleringar genomförs också för att jämföra modulbeteendet med etablerad litteratur. Viktiga resultat visar att medan dragstyrkan förblir relativt okänslig för nodal dispersion, minskar både formbarheten och brottsarbete avsevärt med ökad dispersion. En nodal dispersionsmagnitud på 0,1 stavlängder resulterar i cirka 40% minskning i duktilitet och brottsarbete, medan dragstyrkan minskar med mindre än 5%. Studien undersöker också hur variationer i gittrets relativa densitet, grundmaterialets brottsträckning och deformationshärdningsexponent påverkar dessa egenskaper, och belyser deras komplexa förhållande med normaliserad formbarhet och dragstyrka. Resultaten understryker behovet av att beakta flera materialegenskaper vid förutsägelse av beteendet hos formbara gittermaterial med imperfektioner. Framtida forskning bör validera dessa resultat experimentellt och utforska modeller med periodiska randvillkor för vidare analys.
Description
Supervisor
St-Pierre, Luc
Thesis advisor
Kivelä, Eetu
Keywords
lattice materials, triangular lattice, nodal dispersion, ductile materials, ductility, tensile strength
Other note
Citation