008240612s2022      us  |||||||||||||||c||eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30615813
■035    ▼a(MiAaPQ)NCState_Univ18402041038
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a600
■1001  ▼aLi,  Yanbin.
■24510▼aReconfigurable  Three-Dimensional  Modular  Kirigami  Based  Metamaterials  and  Structures:  Science  and  Applications▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bNorth  Carolina  State  University.  ▼c2022
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2022
■300    ▼a1  online  resource(205  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-04,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Yin,  Jie.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--North  Carolina  State  University,  2022.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aMechanical  metamaterials  (or  mechanical  meta-structures)  are  artificial  materials  that  derive  their  extraordinary  physical  properties  from  the  unique  structural  forms  rather  than  constituent  materials.  Kirigami,  the  ancient  paper  cutting  art,  has  recently  emerged  as  a  simple  yet  powerful  strategy  for  constructing  mechanical  metamaterials  with  programmable  material  properties,  which  has  found  broad  applications  in  tunable  acoustic  and  optical  structures,  soft  robotics,  energy  harvesting/saving  structures,  and  soft  electronics.  Despite  the  recent  advances,  current  state-of-the-art  studies  mainly  focus  on  two-dimensional  (2D)  thin  sheets-based  kirigami  structures  with  limited  degrees  of  freedom  (DoF)  deformation  and  neglected  structural  thickness.  The  vast  design  space  by  extending  the  planar  kirigami  approach  to  three-dimensional  (3D)  bulk  materials  remains  unexplored  by  releasing  the  constrained  DoF  in  2D  kirigami  structures.  In  this  dissertation,  a  generic  method  of  constructing  3D  kirigami  structures  is  proposed  by  discretizing  3D  bulk  materials  into  a  number  of  closed-loop  connected  cubes  in  the  form  of  different  tessellated  and  hierarchal  structures.  The  kinematics  and  kinematic  bifurcation  of  their  3D  shape  transformation  are  studied  and  their  potential  applications  in  reconfigurable  robotics  and  programmable  mechanical  metamaterials  are  explored.Chapter  2  presents  a  generic  method  of  constructing  3D  modular  kirigami  structures  by  dissecting  the  rectangular  cross  sectioned  solid  3D  prisms  into  4/6/8  identical  cubes.  The  8-cube  based  3D  modular  kirigami  has  the  richest  deforming  features  with  more  than  one  reconfiguration  paths.  By  modeling  it  as  an  8R-looped-linkage  mechanical  mechanism,  the  8-cube  based  3D  modular  kirigami  structure  exhibits  kinematic  bifurcation  by  branching  into  extra  shape-changing  routes  at  singular  transfiguration  states.  Its  kinematic  bifurcations  and  reconfiguration  kinematic  have  both  been  validated  based  on  a  transformation  matrix  and  the  singular  value  decomposition  (SVD)  method.  Then,  two  periodic  re-programmable  kirigami  matter  separately  with  compact  and  dilute  network  forms  are  constructed,  which  can  forwardly  and  inversely  transform  into  a  variety  of  desired  surface  shapes  with  different  Gaussian  curvatures.Inspired  by  conventional  2D  hierarchical  kirigami  structures,  Chapter  3  discusses  a  system  of  3D  modular  kirigami  based  hierarchical  structures.  The  hierarchical  modular  structures  can  be  combinatorically  designed  using  the  bottom-up  and  top-down  approaches.  For  the  bottom-up  approach,  it  can  rearrange  the  linkage  connections  of  different-leveled  structures,  combine  distinct  types  of  linkage  mechanisms  as  structural  motifs,  and  use  level-1  structures  with  different  number  of  structural  components.  For  the  top-down  approach,  it  can  change  the  topological  geometries  of  structural  components  from  cube  to  thick  panels,  polygons  and  prisms,  and  extend  it  to  volumetric  structures.  Enabled  by  its  intrinsic  structural  features  and  kinematic  bifurcations,  the  hierarchical  modular  structures  exhibit  high  structural  DOFs  to  continuously  reconfigure  into  varieties  of  3D  shapes.  Despite  the  large  number  of  achieved  3D  shapes,  thanks  to  the  small  number  of  structural  DOFs  with  reconfiguration  governed  by  simple  kinematics,  their  transformation  can  be  achieved  in  both  a  controllable  and  an  untethered  way  driven  by  electrical  servo-motors  for  actuation.  Their  potential  applications  in  architectural  structures,  robotics,  medical  devices,  and  reconfigurable  spacecraft  are  discussed.Beyond  the  hierarchical  modular  structures,  Chapter  4  discusses  a  hierarchical  mechanical  meta-structure  (HMM)  with  a  periodic  structural  form  based  on  the  3D  modular  kirigami  inspired  hierarchical  unit  cell.  The  unit  cell  is  composed  of  a  level-1  building  block  of  4  identical  cubeshaped  structural  components  and  combined  with  level-2  building  blocks  through  over-constrained  hinge  connections.  The  unit  cell  can  undergo  kinematic  bifurcation  to  render  a  bistable  deformation  mode.  With  the  independent  bi-stable  reconfiguration  behavior,  the  HMM  demonstrates  multi-stability  under  pre-stretched  strain.  Its  potential  applications  in  load-bearing  architectures,  mechanical  memory  storage,  information  interaction/encryption  and  mechanical  binary  logic  computation  devices  are  also  discussed.Lastly,  Chapter  5  discusses  extending  the  concept  of  3D  modular  kirigami  structure  to  construct  mechanical  metamaterials  with  programmable  mechanical  properties.  Extruding  the  solid  cube  components  into  a  thin-walled  cube  with  two  open  ends  makes  it  deform  in  a  soft  deformation  mode,  i.e.,  shearing  around  the  extruding  direction.  Several  categories  of  1D/2D/3D  mechanical  metamaterials  are  constructed  through  conformably  assembly  ways  without  joining  and  connection  between  building  blocks,  which  makes  them  easy  to  be  disassembled  and  reassembled.  The  1D/2D  mechanical  metamaterials  demonstrate  topologically  programmable  deformation  behaviors  such  as  structural  chirality  transition.  The  mechanical  properties  of  the  3D  metamaterials  can  be  programmed  through  combinatorial  designs  with  independent  deformation  modes.
■590    ▼aSchool  code:  0155.
■650  4▼aMechanical  properties.
■650  4▼aKinematics.
■650  4▼aConstruction.
■650  4▼aDesign.
■650  4▼aDeformation.
■650  4▼aRobotics.
■650  4▼aCivil  engineering.
■650  4▼aMechanics.
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■690    ▼a0346
■71020▼aNorth  Carolina  State  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-04B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0155
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2022
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16934566▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
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