Sonlu elemanlar yöntemi ile mikro ögzetik yapılar için boyut etkisinin incelenmesi

Ögzetik yapılar, geleneksel yapılardan farklı olarak negatif Poisson oranı gösteren yapılardır. Bu, yapıların enine gerildiğinde, boyuna da genişledikleri anlamına gelmektedir. Bu benzersiz davranış, ögzetik yapıların geleneksel malzemelere kıyasla göçme direnci, kırılma tokluğu, kesme direnci, yüksek enerji emilimi, iyi akustik performans gibi çeşitli avantajlar sunmasını sağlar. Negatif Poisson oranı, ya doğal moleküler yapıları (örneğin arsenik, siyah fosfor) nedeniyle ya da yapay yapısal şekilleri (örneğin re-entrant, chiral yapılar) nedeniyle oluşabilir. Her iki tür ögzetik yapı tipi de araştırmacılar tarafından uzun süredir makro ölçekte araştırılmaktadır. Küçük ölçekli yapıların üretim teknolojisindeki gelişmeler, araştırmacıları özellikle son birkaç on yıldır mikro/nano ölçekli ögzetik çalışmalarına da yönlendirmektedir. Yapılar küçüldükçe, boyut etkilerinin ortaya çıktığı kanıtlanmıştır. Klasik süreklilik teorileri, bu boyut etkilerini açıklamakta yetersiz kalmaktadır. Boyut etkilerini yakalayabilmek amacıyla araştırmacılar, zaman içinde yüksek dereceli süreklilik teorileri geliştirmişlerdir. Bu çalışmada, küçük ölçekli ögzetik yapılar sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Bu amaçla, Modified Couple Stress teorisi temel alınarak, yüksek mertebeden bir süreklilik teorisi, Timoshenko kirişinin rijitlik ve kütle matrisleri türetilmiştir. Çalışmanın makro ölçekte doğrulanması amacıyla çekme deneyleri gerçekleştirilmiş ve literatürdeki benzer makro ölçekli çalışmalarla karşılaştırmalar yapılmıştır. Ardından, mikro ölçekli re-entrant ögzetik yapıların; Poisson oranı, deformasyon mekanizmaları, elastik modül, temel titreşim frekansları ve entropi üretim hızı gibi farklı özellikleri incelenmiştir. Analitik ve sayısal yöntemler kullanan mevcut literatürün çoğunun, küçük ölçekli ögzetik yapıların davranışını doğru bir şekilde tahmin edemediği gösterilmiştir. Yalnızca mikro/nano deneyler gerçekleştirilen veya gelişmiş simülasyon araçlarını kullanan çalışmalar boyut etkilerini yakalayabilmektedir; ancak bu çalışmaların kullandıkları yöntemler ticari ve/veya hesaplama açısından maliyetli yöntemlerdir. Ayrıca, bu çalışmalar, büyük ve küçük ölçekli ögzetik yapıların boyut etkisinden kaynaklanan farklı davranış tiplerini açıkça ortaya koyamamaktadır Öte yandan, bu çalışma temel sonlu elemanlar prensiplerini kullanmakta olup, boyut etkilerini de katarak, büyük ve küçük ölçekler arasındaki farkların kolaylıkla incelenebilmesine olanak sağlamaktadır.