Computational modeling of mechanical metamaterials
Mekanik metamalzemelerin hesaplamalı modellenmesi
- Tez No: 975696
- Danışmanlar: PROF. DR. SERDAR GÖKTEPE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, hiperelastik, viskoelastik ve elektromekanik malzemelerden oluşan, periyodik gözenekli metamalzemelerin kapsamlı, çok ölçekli kararlılık analizini sunmaktadır. Bu çerçevede, Bloch-Floquet dalga analizi ve Detaylandırılmış Özdeğer Analizi (DÖA) adlı iki gelişmiş yöntem, hiperelastik ve geometrik olarak doğrusal olmayan viskoelastik yapı modelleri için uygulanmış ve sistematik olarak doğrulanmıştır. Bu yöntemlerin farklı yükleme hızları ve malzeme davranışları için uygulanabilirliği açıklığa kavuşturulmuştur. Gevşeme kaynaklı burkulma dahil olmak üzere temel kararsızlık mekanizmaları incelenmiştir. Bu mekanizmada, sabit deformasyon altında rijitliğin anlık kaybı, desen dönüşümünü tetiklemektedir. Ayrıca, mikroskobik kararlılık üzerinde mekanik ön gerinimin etkisi de araştırılmış ve ön çekme veya basma gerinimlerinde, deformasyon şekillerini değiştirmeden kritik gerinim eşiklerini orta derecede değiştirdiği gösterilmiştir. Ek olarak, periyodik metamalzemelerde elektromekanik etkiler incelenmiş ve belirlenen elektrik alanlarının kritik asal şekil değişimlerini ve burkulma sonrası desenleri nitel olarak değiştirebileceği ortaya konmuştur. Sonrasında, homojen olmayan yanal sınırlama altında iki tür dairesel delikli metamalzemelerde ani sıçrama ve ani bırakma kararsızlıkları analiz edilmektedir. Yay uzunluğu benzetimleri, içsel mekanik tepkinin, enerji tüketmeyen ani bırakma davranışı ile karakterize olduğunu doğrularken, yer değiştirme kontrollü dinamik benzetimler, geometrik ve atalet etkilerinden ve yükleme protokolünden kaynaklanan görünüşte enerji tüketen tepkileri üretmektedir. Viskoelastik konfigürasyonlarda, tamamen doğrusal olmayan hıza bağlı benzetimler ani sıçrama kararsızlıklarını yakalamakta ve daha yüksek yükleme hızlarının kararsızlık başlangıcını geciktirdiğini, enerji kaybını artırdığını ve deformasyonun belirli bağ bölgelerinde yoğunlaştığını göstermektedir. Sonuç olarak, bulgular, geometri, hız etkileri ve çoklu fizik etkileşimlerinin kararsızlık davranışını nasıl yönettiğine dair anlayışı bütüncül olarak geliştirerek, programlanabilir mekanik metamalzemeler için doğrulanmış hesaplama araçları ve tasarım stratejileri sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a comprehensive multiscale stability analysis of periodic porous metamaterials composed of hyperelastic, viscoelastic, and electro-mechanical materials. In this framework, two advanced methodologies, the Bloch-Floquet wave analysis and Refined Eigen Analysis (REA), are implemented and systematically validated for both hyperelastic and finite viscoelastic constitutive models, clarifying their applicability across different loading rates and types of material behavior. Key instability mechanisms are investigated, including relaxation-induced buckling, where the loss of instantaneous stiffness under constant deformation triggers pattern transformation. Furthermore, the effect of mechanical pre-straining on microscopic stability is also explored, showing that initial tensile or compressive loading moderately shifts critical strain thresholds without altering deformation modes. In addition, electro-mechanical effects are examined in periodic metamaterials, revealing that prescribed spatial electric fields can qualitatively modify critical mode shapes and post-buckling patterns. Subsequently, snap-through and snap-back instabilities in biholar metamaterials under inhomogeneous lateral confinement are analyzed. Arc-length simulations confirm that the intrinsic mechanical response is characterized by snap-back behavior with no inherent hysteresis, while displacement-controlled dynamic simulations produce pseudo-hysteretic responses arising from geometric nonlinearities, inertial effects, and the applied loading protocol. For viscoelastic configurations, fully nonlinear rate-dependent simulations capture snap-through instabilities, showing that higher loading rates delay the onset of instability and enhance dissipation, with deformation concentrated in specific ligament regions. To conclude, the findings collectively advance the understanding of how geometry, rate-dependence, and multi-physics couplings govern the unstable behavior, providing validated computational tools and design strategies for programmable mechanical metamaterials.
Benzer Tezler
- 3D prıntıng of ınfıll-based tpu auxetıc metamaterıals: a slıcer-controlled desıgn-to-fabrıcatıon experıment
3B baskıyla dolgu tabanlı tpu oksetik metamalzemeler: Dilimleyici kontrollü tasarımdan üretime bir deney
FATIMA AYECH
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞEGÜL AKÇAY KAVAKOĞLU
- Design, modeling and numerical investigations of multi-scale materials
Çok ölçekli malzemelerin tasarımı, modellenmesi ve sayısal araştırmaları
BEKİR ÇAĞRI SARAR
Doktora
İngilizce
2025
Mühendislik BilimleriUnıversıta Deglı Studı de L Aquılaİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FRANCESCO DELL'ISOLA
- Second-gradient mathematical modelling of pantographic structuresand determination of optimum constitutive parameters
Başlık çevirisi yok
MUHAMMED YÜCEL
- A machine learning based approach to identify constitutive parameters for a second gradient model of pantographic structures
Pantografik yapıların ikinci gradyan modeli için oluşturucu parametreleri belirlemeye yönelik makine öğrenimi tabanlı bir yaklaşım
BEKİR ÇAĞRI SARAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mühendislik BilimleriUnıversıta Deglı Studı de L Aquılaİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DELL’ISOLA FRANCESCO
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ERDEN YILDIZDAĞ
- Damping strategies in additive manufacturing: hybrid materials, metamaterials and particle damping
Katmanlı üretimde sönümleme stratejileri:hibrit malzemeler, metamalzemeler ve parçacık sönümleme
MURAT CAN ÖZDEN
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. POLAT ŞENDUR