В Disney научились управлять механическими свойствами пластин из многоугольников

DisneyResearchHub / YouTube

Исследователи из Disney Research создали систему, анализирующую свойства различных мозаикообразных плоских материалов. На основе этих данных система умеет подбирать структуру материала под заданные свойства. К примеру, таким способом можно подобрать материал, который будет неравномерно и определенным образом растягиваться в разные стороны, рассказывают разработчики в журнале ACM Transactions on Graphics.

Для изменения свойств предмета не обязательно менять его форму или состав. Вместо этого можно изменить его структуру и расположение составляющих его элементов и тем самым поменять свойства всего предмета. Например, таким способом создают механические метаматериалы, в том числе ауксетики, которые при растяжении вдоль также расширяются поперек, хотя обычные материалы в таком случае сужаются. Несмотря на множество исследований в этой области, информация о таких материалах плохо структурирована и ее сложно применять на практике.

Группа исследователей из нескольких стран под руководством Бернарда Томашевски (Bernhard Thomaszewski) научилась связывать структуру материалов со строением типа изоэдрической мозаики с их механическими свойствами. Структуры такого типа состоят из одного базового многоугольника и обладают трансляционной симметрией и периодичностью. Базовые многоугольники в них объединяются в трансляционную единицу, состоящую из нескольких многоугольников, которую можно перенести в любую точку структуры, сдвинув на определенный вектор.

Ученые создали систему, реалистично симулирующую механическую нагрузку на такие структуры, а затем масштабирующую эти данные на большие тонкие пластины из материалов с такой структурой. С ее помощью они собрали большую базу данных о поведении разных структур при растяжении или изгибе. После этого разработчики создали удобную программу для просмотра данных о структурах. В ней множество отдельных структур организованы в несколько десятков семейств. При выборе одной из структур программа отображает значения модуля Юнга, коэффициента Пуассона и жесткость при сжатии в виде круговых диаграмм с нанесенными значениями, соответствующими нагрузке под определенным углом.


Помимо удобной программы для просмотра свойств разных структур исследователи также создали систему, выполняющую обратную задачу и позволяющую оптимизировать строение материала под заданные пользователем механические свойства. Пока эта система работает только для модуля Юнга. Пользователь рисует нужные ему свойства на круговой диаграмме распределения модуля Юнга по направлениям, после чего компьютер немного меняет параметры выбранной структуры для того, чтобы она максимально близко отражала заданные свойства.

Ученые проверили точность симуляции, напечатав на 3D-принтере несколько эластомерных пластин с различными структурами. После этого они испытали эти пластины на растяжение и изгиб. Сравнение полученных результатов с симуляцией показало, что модель хорошо описывает свойства для растяжения и немного хуже для изгиба.

В прошлом году ученые из Массачусетского технологического института создали систему, которая проводит топологическую оптимизацию необычным образом. Она принимает модель предмета и нагрузку на него, разбивает модель на воксели и распределяет воксели с разными свойствами таким образом, чтобы модель могла выдерживать заданную нагрузку без изменения формы.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.