Mechanics of kerf patterns for creating freeform structures
Mechanics of kerf patterns for creating freeform structures
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用于创建自由形状结构的切口图案的力学
DOI：
10.1007/s00707-020-02713-8
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
2.7
通讯作者：
Muliana, Anastasia
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Chen, Renzhe;Turman, Coby;Jiang, Mingliang;Kalantar, Negar;Moreno, Michael;Muliana, Anastasia
浮雕切割方法，或称削角，被认为是从相对较硬和较厚的板材创建灵活的自由曲面。柔性和可成型性是通过在面板中引入细长组件，形成开槽图案，从而减少实心面板区域的二次力矩和极矩来实现的。本文系统地研究了开口单元胞和开口板的变形。研究了具有不同切割密度的正方形和六边形两种不同的开槽方式。研究了不同的切割密度和切割方式对拉伸、弯曲和扭转变形的影响。了解切缝形状和切割密度对各种变形机制的影响，将指导自由形状复杂切口板的设计。在单胞上进行了不同边界条件下的实验测试，如单轴和双向拉伸和弯曲。试验还在具有不同切割图案和不同切割密度的切割面板上进行。我们使用了一种非线性梁单元来描述切缝图案中细长部件的变形。比较了梁单元模型和试验结果对单元、单元和面板的整体变形情况。使用切边技术可以从标准形状和大小的批量生产的面板生成具有复杂几何形状的柔性结构。使用剖切方法来实现所需的曲面拓扑时，曲面中的应力、应变和位移将取决于剖切图案、切割密度和构件行为。
A relief cutting method, or kerfing, is considered to create flexible freeform surfaces from relatively stiff and thick panels. The flexibility and moldability are achieved by introducing slender components within the panel, forming kerf patterns, and hence reducing the second moment and polar moment of an area of the solid panel. This paper presents a systematic study on the deformations of kerf unit-cells and of kerf panels. Two different kerf patterns, i.e., square and hexagon, with various cut densities are studied. The effects of different cutting density and kerf patterns on the stretching, bending, and twisting deformations are examined. Understanding the influence of kerf patterns and cut densities on various deformation mechanisms will guide the design of freeform complex shapes out of kerf panels. Experimental tests were performed on unit-cells under different boundary conditions, e.g., uniaxial and biaxial stretching and bending. The tests were also performed on kerf panels with different kerf patterns and varying cut densities. We used a nonlinear beam element in order to describe the deformations of the slender components within the kerf patterns. We compared the overall deformations in the kerf unit-cells and panels from the beam element model and experimental tests. Using the kerfing technique allows for generating flexible structures with complex geometries from mass-produced panels of standard shape and size. When using the kerfing method to achieve the desired surface topology, the stresses, strains, and displacements in the surface will depend on the kerf pattern, cut density, and constituent behavior.
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