Homogenizacja obliczeniowa w mechanice magnetycznej
Elastomery wrażliwe magnetycznie (MSE) stanowią nową klasę materiałów, które zmieniają swoje zachowanie mechaniczne w odpowiedzi na zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego. Te inteligentne materiały wzbudziły znaczne zainteresowanie w ostatnich latach ze względu na ich potencjał w zakresie zastosowań inżynieryjnych, takich jak szybko reagujące siłowniki o zmiennej sztywności i amortyzatory systemów mechanicznych z elektronicznymi urządzeniami sterującymi, a także sztuczne mięśnie do urządzeń zrobotyzowanych i biomechanicznych. Warunkiem wstępnym wykorzystania MSE w projektowaniu urządzeń przemysłowych jest pokonanie licznych wyzwań związanych z fabrykacją, testowaniem i modelowaniem komputerowym tych materiałów. Aby wyjść naprzeciw tym wyzwaniom, w ramach finansowanego ze środków UE projektu MOCOPOLY przygotowano ponad 40 zrecenzowanych publikacji naukowych, dotyczących różnych tematów związanych z MSE. „Jednym z najważniejszych rezultatów intensywnych, prowadzonych w międzynarodowym gronie działań w zakresie projektu, było opracowanie metodologii wielokrotnej fabrykacji MSE dla celów badań eksperymentalnych” - powiedział koordynator projektu MOCOPOLY Paul Steinmann. Ekscytujące eksperymenty Naukowcy biorący udział w projekcie pozyskali dwa urządzenia do przeprowadzania badań eksperymentalnych - reometr obrotowy i maszynę wytrzymałościową do statycznego rozciągania. Za pomocą tych urządzeń, naukowcy opracowali protokoły eksperymentalne umożliwiające osiągnięcie wiarygodnych i powtarzalnych wyników. Ponadto w wyniku dodatkowych badań eksperymentalnych z wykorzystaniem najnowszych technologii naukowcy uzyskali dogłębne zrozumienie struktury wewnętrznej MSE oraz złożonej struktury MSE na poziomach makro- i mikroskopijnym. Dzięki danym doświadczalnym wyekstrahowanym dla MSE w stanie utwardzanym i nieutwardzonym, w ramach projektu możliwe było przeprowadzenie matematycznego modelowania makroskopijnych właściwości deformacji MSE przy dużych naprężeniach i w obecności pola magnetycznego. „Wykorzystaliśmy unikalne rozwiązanie, aby określić mechanikę niedoskonałych struktur łańcuchowych, tworzonych przez cząsteczki, gdy materiał jest utwardzany w polu magnetycznym” - wyjaśnia Steinmann. Naukowcy opracowali również ramy obliczeniowe umożliwiające stymulowanie procesu utwardzania magnetycznych lepko-sprężystych MSE pod wpływem obciążenia magnetyczno-mechanicznego, jak również stworzyli jednolite ramy analizy obliczeniowej MSE za pomocą wydajnego oprogramowania typu open-source. Niektóre aspekty tych ram oraz związanych z nimi prac zostały opracowane przez społeczność związaną z oprogramowaniem open source. Aby uzupełnić prace na dużych skalach długości, przeprowadzono badania mikro-strukturalne, mające na celu ocenę wpływu cząsteczek wewnątrz MSE. „Stworzyliśmy model obliczeniowy, który uwzględnia efekty zarówno w skali makro-, jak i nano. Dzięki temu wzmocnieniu byliśmy w stanie zaprezentować właściwości, które widoczne są jedynie na tej długości skali” - powiedział Steinmann. Ponadto proces homogenizacji umożliwił zespołowi oszacowanie efektywnych właściwości dużej skali materiału heterogenicznego na podstawie reakcji mikrostruktury bazowej. Za pomocą metod obliczeniowych naukowcy rozwinęli już ustanowione metody, aby uwzględnić zjawiska występujące jedynie wewnątrz MSE, włącznie z obecnością i interakcją magnesowalnych cząsteczek. „W wyniku tych działań, w celu przeprowadzenia badań opracowaliśmy i wykorzystaliśmy rozwiązania, na podstawie których sporządzono statystyczną kwantyfikację niepewności wynikających z danych badawczych” - mówi Steinmann. „Aby uzupełnić i ocenić te badania, opracowaliśmy solidną metodę identyfikacji parametrów materiałów mikroskopijnych za pomocą eksperymentów makroskopijnych”. Daleko idące wyniki W drodze tych eksperymentów projekt MOCOPOLY osiągnął znaczące postępy w kierunku lepszego zrozumienia MSE. Ponadto, ze względu na fundamentalne równania matematyczne, które rządzą elastycznością magnetyczną oraz warunki, w których przeprowadzone zostały badania w ramach projektu, duża część teorii opracowanej dla mechaniki magnetycznej może zostać bezpośrednio zastosowana w przypadku elektromechaniki i vice versa. „Poprzez interdyscyplinarny charakter badań byliśmy w stanie zastosować nasze ustalenia do innych interesujących elektromechanicznych inteligentnych materiałów” - dodaje Steinmann.
Słowa kluczowe
MOCOPOLY, Elastomery wrażliwe magnetycznie, MSE, zewnętrzne pole magnetyczne, robotyka, mechanika magnetyczna
