Исследование пористости образца с флюид насыщенными закрытыми порами под действием внешней нагрузки

Аннотация

Современные производственные возможности позволяют создавать конструкции с нерегулярной и неоднородной структурой. При эксплуатации таких конструкций возникают особенности, связанные с изменением внутренней структуры при деформировании. К таким изменениям относят локальное разрушение и изменение структуры основного скелета, а эти эффекты негативно влияют на физико-механические свойства. Объект исследования --- образцы с флюид насыщенными порами. Флюид в закрытых порах появлялся вследствие закупоривания фотополимерной смолы во время лазерной стереолитографии. Сканирование образцов проводилось с использованием рентгеновского компьютерного томографа без внешней нагрузки и с разной сжимающей продольной нагрузкой. Рассмотрены четыре образца с одинаковой пористостью, но с различной геометрией пор. Показано, что пористость, объемная деформация, относительная пористость ведут себя нелинейно в зависимости от внешней сжимающей нагрузки. Для всех образцов наблюдалось увеличение пористости при нагружении. Так, максимальное увеличение пористости для эллипсоидальной поры составило 25 %, а для сфероидальной --- 50 %. Результаты свидетельствуют о влиянии геометрии поры на пористость под действием сжимающей нагрузки

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект РНФ № 23-21-00274)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Харин Н.В., Акифьев К.Н., Стаценко Е.О. и др. Исследование пористости образца с флюид насыщенными закрытыми порами под действием внешней нагрузки. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 3 (114), с. 70--91. EDN: SAQEVR

Литература

[1] Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А. и др. Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала. Российский журнал биомеханики, 2022, № 4, с. 19--33. EDN: MFBXQC

[2] Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А. и др. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при ходьбе. Российский журнал биомеханики, 2021, № 4, с. 414--433. EDN: TEWUZZ

[3] Saviour C.M., Gupta S. Design of a functionally graded porous uncemented acetabular component: influence of polar gradation. Int. J. Numer. Meth. Biomed. Eng., 2023, vol. 39, iss. 6, art. 3709. DOI: https://doi.org/10.1002/cnm.3709

[4] Bolshakov P., Raginov I., Egorov V., et al. Design and optimization lattice endoprosthesis for long bones: manufacturing and clinical experiment. Materials, 2020, vol. 13, iss. 5, art. 1185. DOI: https://doi.org/10.3390/ma13051185

[5] Суфияров В.Ш., Орлов А.В., Попович А.А. и др. Расчетное исследование прочности эндопротеза из материала с градиентной ячеистой структурой. Российский журнал биомеханики, 2021, № 1, c. 64--77. EDN: KZRRAT

[6] Li Q., Wu L., Hu L., et al. Axial compression performance of a bamboo-inspired porous lattice structure. Thin-Wall. Struct., 2022, vol. 180, art. 109803. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109803

[7] Xu C., Li M., Huang J., et al. Efficient biscale design of semiregular porous structures with desired deformation behavior. Comput. Struct., 2017, vol. 182, pp. 284--295. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2016.12.006

[8] Bolshakov P., Kharin N., Kashapov R., et al. Structural design method for constructions: simulation, manufacturing and experiment. Materials, 2021, vol. 14, iss. 20, art. 6064. DOI: https://doi.org/10.3390/ma14206064

[9] Bahrami Babamiri B., Askari H., Hazeli K. Deformation mechanisms and post-yielding behavior of additively manufactured lattice structures. Mater. Des., 2020, vol. 188, art. 108443. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108443

[10] Maconachie T., Leary M., Lozanovski B., et al. SLM lattice structures: properties, performance, applications and challenges. Mater. Des., 2019, vol. 188, art. 108137. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108137

[11] Kharin N., Bolshakov P., Kuchumov A.G. Numerical and experimental study of a lattice structure for orthopedic applications. Materials, 2023, vol. 16, iss. 2, art. 744. DOI: https://doi.org/10.3390/ma16020744

[12] Zhang X., Zhang K., Zhang B., et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: a comprehensive study. J. Adv. Ceram., 2022, vol. 11, no. 12, pp. 1918--1931. DOI: https://doi.org/10.1007/s40145-022-0656-5

[13] Yuan S., Chua C.K., Zhou K. 3D-printed mechanical metamaterials with high energy absorption. Adv. Mater. Technol., 2018, vol. 4, iss. 3, art. 1800419. DOI: https://doi.org/10.1002/admt.201800419

[14] Zhang R., Guo R. Voronoi cell finite element model to simulate crack propagation in porous materials. Theor. Appl. Fract. Mech., 2021, vol. 115, art. 103045. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2021.103045

[15] Takano N., Fukasawa K., Nishiyabu K. Structural strength prediction for porous titanium based on micro-stress concentration by micro-CT image-based multiscale simulation. Int. J. Mech. Sci., 2010, vol. 52, iss. 2, pp. 229--235. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2009.09.013

[16] Jiang Y., Shi K., Zhou L., et al. 3D-printed auxetic-structured intervertebral disc implant for potential treatment of lumbar herniated disc. Bioact. Mater., 2023, vol. 20, pp. 528--538. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.06.002

[17] Sandstrom C., Larsson F., Runesson K. Homogenization of coupled flow and deformation in a porous material. Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 2016, vol. 308, pp. 535--551. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cma.2016.05.021

[18] Zhu L., Li M., Xu W. Direct design to stress mapping for cellular structures. Vis. Inform., 2019, vol. 3, iss. 2, pp. 69--80. DOI: https://doi.org/10.1016/j.visinf.2019.07.002

[19] Feng C., Cui Z. A 3-D model for void evolution in viscous materials under large compressive deformation. Int. J. Plast., 2015, vol. 74, pp. 192--212. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2015.06.012

[20] Al-Munajjed A.A., Hien M., Kujat R., et al. Influence of pore size on tensile strength, permeability and porosity of hyaluronan-collagen scaffolds. J. Mater. Sci.: Mater. Med., 2008, vol. 19, no. 8, pp. 2859--2864. DOI: https://doi.org/10.1007/s10856-008-3422-5

[21] Xin T., Liang B., Wang J., et al. Experimental study on the evolution trend of the pore structure and the permeability of coal under cyclic loading and unloading. ACS Omega, 2021, vol. 6, iss. 51, pp. 35830--35843. DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.1c06118

[22] Zhang M., Sun H., Song C., et al. Pores evolution of soft clay under loading/unloading process. Appl. Sci., 2020, vol. 10, iss. 23, art. 8468. DOI: https://doi.org/10.3390/app10238468

[23] Duan B., Shen T., Wang D. Effects of solid loading on pore structure and properties of porous FeAl intermetallics by gel casting. Powder Technol., 2019, vol. 344, pp. 169--176. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.12.019

[24] Sun J., Dong Z., Zhu S., et al. Pore structure evolution of mudstone caprock under cyclic load-unload and its influence on breakthrough pressure. Front. Earth Sci., 2023, vol. 17, no. 3, pp. 691--700. DOI: https://doi.org/10.1007/s11707-022-1019-9

[25] Diederichs A.M., Thiel F., Lienert U., et al. In-situ investigations of structural changes during cyclic loading by high resolution reciprocal space mapping. Procedia Struct. Integr., 2017, vol. 7, pp. 268--274. DOI: https://doi.org/10.1016/j.prostr.2017.11.088

[26] Baptista R., Guedes M. Porosity and pore design influence on fatigue behavior of 3D printed scaffolds for trabecular bone replacement. J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 2021, vol. 117, art. 7104378. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2021.104378

[27] Le V.-D., Pessard E., Morel F., et al. Fatigue behaviour of additively manufactured Ti-6Al-4V alloy: the role of defects on scatter and statistical size effect. Int. J. Fatigue, 2020, vol. 140, art. 105811. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105811

[28] Wang B., Sun L., Pan B. Mapping internal deformation fields in 3D printed porous structure with digital volume correlation. Polym. Test., 2019, vol. 78, art. 105945. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.105945

[29] Акифьев К.Н., Стаценко Е.О., Смирнова В.В. и др. Методика исследования пористости образцов с жидкостью рентгеновским компьютерным томографом при одноосном сжатии. Вестник ПНИПУ. Механика, 2023, № 2, c. 11--21. EDN: QXRPVW

[30] Саченков О.А., Большаков П.В., Герасимов О.В. и др. Устройство для определения структуры материала или образцов при одноосном сжатии и способ его использования. Патент РФ 2755098. Заявл. 12.02.2021, опубл. 13.09.2021.

[31] Razinkov E., Saveleva I. On the implementation of ALFA --- agglomerative late fusion algorithm for object detection. In: Kerautret B., Colom M., Lopresti D., Monasse P., Talbot H. (eds). Reproducible Research in Pattern Recognition. RRPR 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol. 11455. Cham, Springer, 2019, pp. 98--103. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-23987-9_9

[32] Razinkov E., Saveleva I., Matas J. ALFA: agglomerative late fusion algorithm for object detection. ICPR, 2018, pp. 2594--2599. DOI: https://doi.org/10.1109/ICPR.2018.8545182

[33] Alison Noble J. Finding corners. Image Vis. Comput., 1988, vol. 6, iss. 2, pp. 121--128. DOI: https://doi.org/10.1016/0262-8856(88)90007-8

[34] Hafiz D.A., Bayumy A.B.Y., Sheta W.M., et al. Interest point detection in 3D point cloud data using 3D Sobel --- Harris operator. Intern. J. Pattern Recognit. Artif. Intell., 2015, vol. 29, no. 7, art. 1555014. DOI: https://doi.org/10.1142/S0218001415550149

[35] Sipiran I., Bustos B. Harris 3D: a robust extension of the Harris operator for interest point detection on 3D meshes. Vis. Comput., 2011, vol. 27, no. 11, pp. 963--976. DOI: https://doi.org/10.1007/s00371-011-0610-y

[36] Kanwar S., Al-Ketan O., Vijayavenkataraman S. A novel method to design biomimetic, 3D printable stochastic scaffolds with controlled porosity for bone tissue engineering. Mater. Des., 2022, vol. 220, art. 110857. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110857