Mechanical characterization of 2D metallic sheets with void pattern

The stress field in a mechanical component is generally an important phenomenon to consider during the design stage. Perforated metallic sheets are widely used in industry, in many different applications like film cooling, heat dissipation, filtering and many other, mainly thanks to their simple and mass production process. Even though geometrical discontinuity is known to induce stress concentration effects within the mechanical component, the perforated pattern is able to provide interesting structural properties, like auxetic behavior. For this reason, by this study, we investigated the mechanical performance of different void shapes through a series of numerical simulations, by defining a representative element for the pattern and applying Periodic Boundary Conditions to the model. We have simulated six different hole shapes. Among them, the Double T and Hourglass shapes have the ability to introduce auxetic property without introducing important stress concentration effects. These two shapes can be replaced by the traditional pore shapes like circle, ellipse, and rectangles to reduce the stresses in the perforated metal sheets and use the auxetic property for smart applications.

Nella fase progettuale di un componente meccanico è molto importante tenere in considerazione le condizioni in cui esso andrà ad operare, nonché lo stato di sforzo che si genera all’interno del componente stesso. Le lastre metalliche forate sono molto utilizzate in ambito industriale, nelle più disparate applicazioni, grazie alla loro “semplicità” di realizzazione. Sono esempi applicazioni per la dissipazione del calore, come filtri o rivestimenti. Anche se le discontinuità geometriche inducono importanti concentrazioni di sforzo all’interno dei componenti meccanici, la realizzazione di specifici pattern è in grado di migliorare o generare interessanti proprietà meccaniche, quali ad esempio la trasformazione di una semplice lastra metallica in struttura auxetica. A questo proposito, il presente studio è volto all’analisi delle proprietà meccaniche ottenute tramite l’applicazione di specifici patter, aventi ognuno avente il foro con una specifica forma. Per far questo sono state effettuate una serie di analisi numeriche, analizzando una regione rappresentetiva del pattern e applicando la periodicità delle Condizioni al contorno. In totale sono stati analizzate sei diverse forme , tra le quali la Doppia T e la Clessidra hanno dimostrato di poter garantire interessanti proprietà auxetiche, senza introdurre eccessivi fenomeni di concentrazione di sforzo. Queste due forme possono essere utilizzate in sostituzione del più classico foro circolare, nelle più differenti applicazioni pratiche.