À menção da frase "esponja do mar", alguém pode ter a imagem de um personagem de desenho animado extremamente popular em sua cabeça. No entanto, o melhor funcionário Krusty Krab não tem nada a ver com seu protótipo real. Visualmente, diferentes tipos de esponjas do mar parecem diferentes: ânforas gregas antigas, intrincados instrumentos de sopro, galhos de árvores secas, flores extravagantes, etc. Mas por trás da aparência externa está uma estrutura celular incrivelmente complexa que atraiu a atenção da comunidade científica por vários anos. Pesquisadores da Universidade de Harvard descobriram recentemente que as características estruturais das esponjas do mar podem servir de inspiração para arranha-céus mais fortes e mais altos, pontes mais longas e espaçonaves ultraleves. Por que a estrutura da esponja do mar é única,quais são suas características mecânicas e quais são os resultados dos protótipos criados com base nos dados obtidos? Encontraremos respostas para essas perguntas no relatório dos cientistas. Ir.
Base de pesquisa
Existem cerca de 8.000 espécies de esponjas do mar no mundo, mas este estudo se concentra nas esponjas de seis raios ( Hexactinellida ). Esse tipo de esponja também é muito diverso, com cerca de 600 espécies. Eles vivem nos mares em profundidades de 5 a mais de 6.000 metros.
As esponjas de seis raios receberam esse nome devido à estrutura de seu esqueleto, que consiste em agulhas de silicone de seis raios, localizadas em três planos perpendiculares entre si.
A forma do corpo de Hexactinellida pode ser muito diferente: tubular, cálice, irregular, processual, lobulado, etc. Apesar das diferenças visuais, a composição corporal de todas as espécies é bastante semelhante. A base do corpo é um único sincício * .
* — , .Um diagrama por si só é suficiente para entender por que uma esponja de vidro pode ser tão útil na arquitetura ou na construção de pontes.
(Hexactinellida): — ; - — ; — ; — .
Neste estudo, os cientistas examinaram o sistema esquelético mineralizado da esponja Euplectella aspergillum (cesta de flores de Vênus), que tem uma arquitetura hierárquica única e resistência mecânica em muitas escalas de comprimento.
Euplectella aspergillum (vista superior).
Elementos do esqueleto vítreo (espículas) de E. aspergillum consistem em um núcleo central de proteína rodeado por camadas concêntricas alternadas de nanopartículas de sílica consolidadas (dióxido de silício, SiO 2) e camadas orgânicas finas. As espículas são organizadas para formar uma grade quadrada, reforçada por dois conjuntos interseccionados de suportes diagonais emparelhados, criando um padrão semelhante a um tabuleiro de xadrez de células abertas e fechadas alternadas.
Imagem # 1
Anteriormente, o efeito da arquitetura de espículas multicamadas em retardar a propagação de trincas e aumentar a resistência à flexão foi considerado, mas as vantagens mecânicas potenciais de uma rede quadrada de duas diagonais de espículas não receberam muita atenção.
Os cientistas lembram que redes de células abertas, como as encontradas no sistema esquelético de E. aspergillumsão comumente usados em um contexto de engenharia devido ao seu peso mais leve, alta absorção de energia e capacidade de controlar a propagação de ondas de calor e acústica. Como regra, as propriedades e a funcionalidade de tais formas geométricas dependem do tipo e das características da conexão de seus nós (pontos de intersecção).
Por exemplo, um número mínimo de nós de seis é necessário para redes bidimensionais em que a tensão é predominante, alcançando assim uma maior relação resistência-peso para aplicações estruturais. Mas treliças com geometria quadrada simples (com uma conexão de nó de quatro) são bastante instáveis quando o vetor de carga tem um componente transversal, portanto, uma conexão diagonal é necessária para a estabilização.
No trabalho que estamos considerando hoje, os cientistas usaram o esqueleto de E. aspergillum como base para a criação de arquiteturas de rede quadrada mecanicamente robustas. Durante o estudo, métodos de análise experimental e numérica foram usados para determinar as propriedades mecânicas da estrutura do esqueleto da esponja.
Resultados da pesquisa
Para melhor compreender as vantagens mecânicas da arquitetura esquelética da esponja, foi feita uma comparação de suas características geométricas com as de três outras redes bidimensionais com uma base quadrada (todas as quatro tinham o mesmo volume, ou seja, a mesma quantidade de material).
Em cada uma dessas estruturas, a arquitetura quadrada básica consistia em elementos com comprimento L e seção transversal retangular caracterizada por uma profundidade H grande o suficiente para evitar deformação fora do plano.
A opção A, que foi inspirada por uma esponja do mar, consistia em elementos horizontais e verticais (fora da diagonal) de espessura T A, nd = 0,1 L e dois conjuntos de diagonais duplas paralelas de espessura T A, d= 0,05 L localizado a uma distância S = L / (√2 + 2) dos nós ( 2à ).
Imagem # 2 A
opção B também foi baseada na arquitetura da esponja com T B, nd = 0,1 L, mas continha apenas uma diagonal de espessura T B, d = 0,1 L, cruzando cada uma das células fechadas ( 2b ).
A opção C (T C, nd = 0,1 L) foi baseada na arquitetura usada em aplicações de engenharia moderna, tinha um conjunto de vigas diagonais cruzadas com espessura T C, d = 0,05 L em cada célula ( 2c ).
A opção D não tinha reforço diagonal, e seus membros horizontais e verticais eram T D, nd = 0,1L (1 + 1 / √2) (2d ).
Em primeiro lugar, foi analisada a resposta mecânica sob compressão uniaxial ao longo dos elementos verticais das quatro opções de rede descritas acima.
Amostras contendo 6x6 mosaicos de células quadradas com L = 1,5 cm e H = 4 cm foram feitas em uma impressora 3D Connex500 (Stratasys). A compressão uniaxial foi realizada usando um dispositivo Instron (modelo 5969) com uma célula de carga de 50 kN ( 2e ).
No gráfico 2fmostra as curvas tensão-deformação a partir das quais duas conclusões principais podem ser tiradas. Primeiro, todos os projetos de reforço diagonal (opções A, B e C) tiveram resposta elástica inicial quase idêntica, demonstrando que diferentes projetos de reforço diagonal não afetaram a rigidez geral inicial da estrutura. A opção D, como esperado, apresentou uma maior rigidez inicial devido às barras verticais e horizontais mais espessas.
Em segundo lugar, todas as curvas mostram uma clara capacidade de carga máxima, com a estrutura A (variante inspirada em esponja) suportando a carga mais elevada.
Uma vez que cada carga máxima correspondeu ao início da flambagem, os cientistas concluíram que o projeto A teve a maior tensão crítica de flambagem de todas as opções de flambagem consideradas.
Além disso, constatou-se que nas três estruturas com diagonais, a dinâmica após a perda de estabilidade levou a uma transformação homogênea da estrutura em toda a amostra ( 2e ).
Mas na variante D, o modo crítico levou a um comprimento de onda muito maior do que o tamanho da célula quadrada, o que, após a perda de estabilidade, levou à formação de uma forma qualitativamente semelhante à de um feixe curvo comprimido.
Para entender como o projeto da rede inspirada em esponja resultou em melhorias significativas no desempenho mecânico, a modelagem de elementos finitos foi realizada usando o software ABAQUS / Standard.
Para modelagem, a geometria foi construída usando elementos de viga Timoshenko (tipo de elemento ABAQUS B22), e a reação do material foi registrada usando um modelo de material incompressível com um módulo de cisalhamento μ = 14,5 MPa.
O processo de modelagem consistiu em três etapas:
- análise de flambagem;
- então, uma perturbação foi aplicada aos nós da grade na forma do modo de flambagem mais baixo;
- análise não linear estática para avaliar respostas não lineares em grandes deformações.
O gráfico 2f mostra uma concordância muito próxima entre os resultados numéricos e experimentais.
Além disso, o modelo de elementos finitos foi intencionalmente estendido para estudar a influência da direção da carga. A fim de reduzir os custos computacionais e eliminar os efeitos de borda, a periodicidade das estruturas foi usada e a resposta dos elementos de volume representativos (RVE) com condições de contorno periódicas adequadas foi investigada.
Imagem No. 3
em 3amostra a mudança na rigidez efetiva da estrutura (E) dependendo do ângulo de carga (θ). Verificou-se que a rigidez de todas as estruturas contendo armadura diagonal era praticamente a mesma para qualquer ângulo de carga. Este fato confirma ainda que a rigidez da estrutura foi determinada principalmente pela quantidade de material distribuída ao longo da direção da carga.
Como resultado, a estrutura D, na qual todo o material foi classificado como elementos fora da diagonal, exibiu a maior rigidez em θ = 0 °, mas tinha capacidade de carga desprezível em θ = 45 °.
Além disso, foi estudada a influência de θ nas características de flambagem das estruturas A - D. Tensão crítica de flexão efetiva (̅σ cr) do projeto A foi superior ao de outros projetos de reforço diagonal (projetos B e C) para todos os valores de θ ( 3b ). A construção D supera a construção A no intervalo 27 ° <θ <63 °, assumindo que essas construções são infinitas. No entanto, dado o comportamento de flambagem global para a estrutura D, tais características foram amplamente influenciadas pelos efeitos de contorno e a tensão crítica de flambagem foi significativamente reduzida ao se considerar uma estrutura com 10x10 RVE ( 3d ) bem dimensionado . Além disso, a geometria da estrutura A manteve sua robustez mesmo após modificações na rede, introduzindo diferentes níveis de desordem, o que é consistente com as características observadas no esqueleto da esponja do mar.
A simulação acima e os resultados reais dos testes mostram claramente que a Opção de Projeto A, baseada no esqueleto de uma esponja do mar, supera claramente seus concorrentes (Opções B, C e D). No entanto, os testes não foram concluídos nisso, porque os cientistas se perguntaram se seria possível criar uma estrutura que fosse ainda melhor.
Para tanto, foi formulado um problema de otimização com o objetivo de determinar o número (N) de elementos diagonais de uma rede quadrada, o que permitiria obter uma maior tensão crítica de flexão. Também foi necessário estabelecer a distância entre esses elementos e os nós das juntas da rede S i (onde i = 1, 2, ..., N), bem como a razão dos elementos diagonais e fora da diagonal λ = V nd / V d (Vnd e V d são os volumes dos elementos fora da diagonal e da diagonal, respectivamente). Todas essas variáveis, de uma forma ou de outra, afetam os indicadores de tensão de flexão.
Durante os testes, estruturas 3x3 RVE foram submetidas a compressão uniaxial paralela aos elementos fora da diagonal (θ = 0 °). A função objetivo Z = ̅σ cr foi maximizada usando modelagem de elementos finitos juntamente com uma implementação Python do algoritmo de evolução de adaptação de matriz de covariância (CMA-ES). Para cada conjunto de dados de entrada definido pelo CMA-ES, a análise de flambagem por elemento finito foi realizada para obter ̅σ cr , que foi subsequentemente usado para estimar a função objetivo Z.
Sete otimizações diferentes foram realizadas, cada uma considerando um número inteiro fixo de elementos diagonais N no intervalo de um a sete (N = ℤ ϵ [1, 7]). Para garantir a simetria do sistema, foram consideradas as seguintes regras: S 2i - 1 = S 2i (i = 1, 2, ..., N / 2), se N for um número par; S 1 = 0 e S 2i - 1 = S 2i (i = 2, 3, ..., (N - 1) / 2) se N for ímpar.
Imagem # 4 O
gráfico 4a mostra o maior valor de ̅σ cr determinado pelo modelo CMA-ES para todos os valores considerados de N. Verificou-se que o maior valor de σ crfoi apenas 9,55% maior do que no caso do projeto previamente testado A. Neste teste, o projeto modelado também foi inspirado por uma esponja do mar: as duas diagonais estavam localizadas a uma distância de S = 0,1800 L dos nós, e a distribuição de volume era tal que λ = 0,6778). Os resultados da simulação foram confirmados experimentalmente com sucesso ( 4b ).
Os cientistas observam que a estrutura do esqueleto da esponja do mar E. aspergillum é uma grande inspiração para mais do que apenas arquiteturas de rede (construção A). Para demonstrar isso, a imagem 5a mostra um mosaico de malha quadrada fina 11x2 submetido a tensão de flexão de três pontos.
Imagem nº 5
como experimentos ( 5b) e simulações de elementos finitos demonstraram que o design inspirado em esponja era mais rígido e podia suportar cargas 15% maiores em uma faixa mais ampla de deslocamentos aplicados.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório de cientistas e materiais adicionais a ele.
Epílogo
A natureza sempre foi, é e será uma das principais fontes de inspiração para a pesquisa científica. Neste trabalho, essa afirmação foi confirmada pelo exemplo das esponjas marinhas da espécie Euplectella aspergillum, cuja estrutura esquelética possui características surpreendentes. A principal característica é que essa estrutura biológica é capaz de suportar cargas significativas, enquanto uma quantidade mínima de material está envolvida em sua construção. Em outras palavras, as esponjas do mar são bastante porosas (falando grosso modo), mas muito duráveis.
O estudo mostrou que a arquitetura do esqueleto de uma esponja do mar pode ser extremamente útil em uma variedade de áreas da atividade humana. A introdução da arquitetura de esponja na construção permitirá a criação de arranha-céus mais altos e pontes mais longas, enquanto a quantidade ideal de material será gasta e a resistência das estruturas acabadas não será afetada. Essa técnica também pode ser usada na construção de aeronaves, navios e até mesmo na astronáutica, pois minimizar a massa do navio minimizará o consumo de combustível.
Sexta-feira off-top:
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana galera! :)
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