The fracture toughness of elastic-brittle two-dimensional hierarchical square lattice
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2022-08-22
Department
Major/Subject
Solid Mechanics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
75
Series
Abstract
Lattice materials are often used in applications that require material properties not offered by solid materials. The wide range of material properties offered by lattice materials are especially useful in application that require lightweight and strong materials. Strong and lightweight materials are needed to build larger structures and reduce transportation costs. The material properties of regular lattices are well known, but hierarchical lattices have not been extensively studied. Especially the fracture toughness of hierarchical lattices is not well known even though fracture toughness is important for practical applications as cracking is a common problem. This thesis aims to determine if introducing hierarchy to a square lattice enhances the in-plane elastic properties and fracture toughness. The mode I and mode II fracture toughness of a hierarchical square lattice are determined using boundary layer analysis. The in-plane elastic properties of hierarchical square lattice are determined using finite element analysis and analytical calculations performed on a bar truss. The increased nodal connectivity of the hierarchical square resulted in a higher shear modulus when compared to a nonhierarchical square lattice, as the response switched from bending dominated to stretching dominated. The mode II fracture toughness also increased considerably compared to the nonhierarchical square.Hilamateriaaleja käytetään usein sovelluksissa, jotka vaativat materiaaliominaisuuksia joita ei ole saatavilla kiinteistä aineista. Hilamateriaalien tarjoamia materiaaliominaisuuksia käytetään erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat kevyitä ja lujia materiaaleja. Lujat ja kevyet materiaalit mahdollistavat isompia rakenteita ja vähentävät kuljetuskustannuksia. Tavallisten hilojen materiaaliominaisuudet ovat tunnettuja, mutta hierarkkisten hilojen materiaaliominaisuuksia ei ole laajasti tutkittu. Erityisesti hierarkkisten hilojen murtositkeys on huonosti tunnettu vaikka murtumat ovat yleinen ongelma käytännön sovelluksissa. Tämä diplomityö pyrkii määrittelemään parantaako hierarkia neliöhilan materiaaliominaisuuksia. Murtositkeys määritetään moodille I ja moodille II käyttäen rajakerros analyysiä. Elastiset ominaisuudet määritellään hierarkkiselle neliöhilalle elementtimenetelmällä ja analyyttisesti. Hierarkkisen neliöhilan kasvanut solmu yhdistyneisyys johti korkeampaan liukumoduuliin verrattuna tavalliseen neliöhilaan. Hilan palkit muuttavat muotoaan venymällä taipumisen sijaan kasvaneen solmu yhdistyneisyyden ansiosta. Moodi II murtositkeys kasvoi huomattavasti verrattuna tavalliseen neliöhilaan.Description
Supervisor
St-Pierre, LucThesis advisor
Omidi, MiladKeywords
fracture toughness, in-plane elastic properties, lattice material, linear elastic fracture mechanics