Auxetic aluminum sheets in lightweight structures

Abstract

This paper deals with the auxetic deformation behavior of periodically perforated aluminum sheets and their application for lightweight design. If commercially available metal sheets are provided with perforations, this can significantly change the mechanical properties of the sheets. For example, with certain perforation patterns, it is possible to achieve a negative Poisson's ratio in the sheet plane. Such material behavior is called auxetic. Macroscopic auxetic behavior can be explained by mechanisms that are based on the geometry of the perforation. Sheets are made of an isotropic aluminum alloy, provided with periodic perforation patterns and are mechanically characterized in tensile tests. The investigations focus on an exemplarily pattern with rectangular perforations leading to the auxetic behavior of the sheet. By means of passive thermography, highly stressed areas of the samples can be identified in situ and nondestructively during tests. The experimental results are verified in numerical simulations. The insights gained will help to better understand the mechanisms underlying the mechanical behavior of auxetically perforated sheet metal. Based on this, concepts for possible applications of auxetically perforated sheets in lightweight design can be developed for the future.

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit dem auxetischen Deformationsverhalten periodisch perforierter Aluminiumbleche und deren Anwendung im Leichtbau. Werden handelsübliche Bleche mit Perforationen versehen, so kann man dadurch die mechanischen Eigenschaften der Bleche stark verändern. Es ist beispielsweise mit bestimmten Perforationsmustern möglich, in der Blechebene eine negative Querkontraktionszahl einzustellen. Ein solches Materialverhalten wird als auxetisch bezeichnet. Das makroskopisch auxetische Verhalten lässt sich durch Mechanismen erklären, die in der Geometrie der Perforierung begründet sind. In diesem Beitrag werden Bleche aus einer isotropen Aluminiumlegierung mit periodischen Perforationsmustern versehen und in Zugversuchen mechanisch charakterisiert. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf ein beispielhaft gewähltes Muster mit rechteckigen Perforationen, welches zu einem auxetischen Vehalten des Bleches führt. Mit einem Verfahren der passiven Thermografie können hoch belastete Bereiche der Proben in situ und zerstörungsfrei identifiziert werden. Die experimentellen Ergebnisse werden mit numerischen Simulationen abgesichert. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen zu einem besseren Verständnis der dem mechanischen Verhalten auxetisch perforierter Blech zugrunde liegenden Mechanismen verhelfen. Darauf basierend können zukünftig Konzepte für mögliche Anwendungen auxetisch perforierter Bleche im Leichtbau entwickelt werden.