 |
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
 |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
128584 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Károlyi György |
| magyar cím |
Véletlen rúdhálózatok mechanikai tulajdonságai |
| Angol cím |
Mechanical properties of random fibre networks |
| magyar kulcsszavak |
Rúdhálózat, rugalmasságtan, stabilitás |
| angol kulcsszavak |
Fibre network, elasticity, stability |
| megadott besorolás |
| Műszaki Mechanika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % |
|
| zsűri |
Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki |
| Kutatóhely |
Atomenergetika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Jánosi Dániel
Kovács Flórián
Laczák Lili Eszter
Lengyel Gábor
Németh Róbert
Sipos András Árpád
|
| projekt kezdete |
2018-10-01 |
| projekt vége |
2023-09-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
15.780 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
8.43 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kutatásunk célja véletlenszerű geometriájú rúdhálózatok mechanikai viselkedésének vizsgálata. Vizsgálataink motivációját az adja, hogy sokféle mérnöki gyakorlatban használt anyag (gumi, papír, textil, hőszigetelések, stb.) és biológiailag jelentős anyag (sejtváz és kollagén) véletlen polimerhálókból épül fel. Korábbi eredmények azt mutatják, hogy a rúdhálózat sűrűségének függvényében éles átmenet tapasztalható a rudak nyújtás, illetve hajlítás által dominált alakváltozásai között terhelés hatására. A korábbi modelleket továbbfejlesztve arra keressük a választ, hogy van-e hasonló átmenet a nyírási alakváltozások irányába, és hogy változtat-e az eredményen, ha a korábbi közelítések helyett az egyensúlyi helyzetet az energiafunkcionál pontos alakjának segítségével keressük. Meg kívánjuk vizsgálni, hogy a hálózat mechanikai előfeszítése milyen szerepet játszik a viselkedésében, illetve hogy mi történik, ha a rúdhálózat kilép a síkjából vagy eleve nem sík felületen helyezkedik el. Az élő sejtek alakját biztosító sejtváz viselkedésének tanulmányozása érdekében megvizsgáljuk a sejtvázat alkotó háromféle polimerszál hálózatának mechanikai viselkedését. Megengedve a hálózatot alkotó elemek tönkremenetelét, a teljes hálózat tönkremenetelének folyamatát is meg kívánjuk vizsgálni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A véletlen, rugalmas hálózatok tanulmányozása során eddig vizsgált modellek nem vették kellő mértékben figyelembe a keresztkötéseknél levő kapcsolatok nyomatékbíró voltát. A korábban vizsgált modellek alkalmas kiterjesztésével vizsgálhatóvá válik, hogy mi a szerepe a keresztkötésekek létrehozó kapcsolatok mechanikai tulajdonságainak, ezt szeretnénk első lépésként felderíteni. Meg kívánjuk vizsgálni, hogy a korábbi, közelítésen alapuló energiafunkcionál pontosabbá tétele befolyásolja-e az eredményt: korábbi munkáink alapján azt várjuk, hogy nagyszámú parazitamegoldás bukkan fel. A hálózat előfeszítésének vizsgálatától azt várjuk, hogy az előfeszítés mértéke megváltoztatja a különféle mechanikai viselkedéseket elválasztó határt, így ezzel hangolható a hálózat viselkedése. A valós hálózatok ritkán igazán síkbeliek, így lépéseket teszünk a térbeliség hatásának felderítésére is. Ennek kapcsán az irodalomban ismert eredmények eltérnek, nem egyértelmű, hogy térbeli esetben van-e éles átmenet a különféle viselkedést mutató paramétertartományok között: ezt szeretnénk eldönteni vizsgálataink során. A sejtváz viselkedésének kapcsán ki akarjuk deríteni, hogy mi az egyes alkotó polimerek szerepe a teherviselésben. Fontos kérdés annak vizsgálata is, hogy vajon a nagy terhelés hatására tönkremenő elemek kiesése hogyan rendezi át a belső tehereloszlást, és miként történik a teljes hálózat tönkremenetele. Azt várjuk, hogy a folyamat a szokásos perkolációs folyamatok fordítottja: sorra esnek ki az elemek, míg eléri a hálózat a stabilitási határt.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A sejtváz és más biológiai hálózatok működéséhez szükséges, hogy a külső és belső körülményekhez alkalmazkodni tudjanak, hogy képesek legyenek mechanikai tulajdonságaikat tág határok között változtatni. A megfigyelések szerint ezek a laza szerkezetek a rájuk kényszerített alakváltozások hatására rendkívüli mértékben felkeményednek. Ennek következtében ezek a szerkezetek képesek a külső hatásokhoz nagymértékben alkalmazkodni. Alkalmazkodóképességük fizikai hátterét az szolgáltatja, hogy különböző tulajdonságokat mutató tartományok határán működnek, vagyis ezek az összetett rendszerek a feladataik elvégzéséhez megfelelő módon tudnak hangolódni. Az alkalmazkodóképes szerkezetek mechanikai viselkedésének mélyebb megértése elvezethet új, adaptációra képes, kiváló tulajdonságokkal rendelkező anyagok létrehozásához.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Igen sok fontos anyag a mérnöki gyakorlatban (gumitól a szigetelőanyagokon át a szűrőkig) és biológiában (sejtváz, kollagén) rugalmas szálak véletlenszerű hálózataként modellezhető. Ezeknek az anyagoknak gyakran meglepő mechanikai tulajdonságai vannak, például ha a kollagén vagy a sejtváz anyagát egyre nagyobb külső hatásnak tesszük ki, az anyag ellenállása drasztikusan megnő, akár százszorosára képes felkeményedni. A biológiai anyagok, véletlenszerű polimerhálózatok szokatlan mechanikai viselkedésének oka, hogy működésük közben nagyon eltérő viselkedési mintázatok határán van, és a határt átlépve tudja a viselkedését jelentős mértékben megváltoztatni. Ennek az átmenetekkel tarkított viselkedésnek a megértése nagyon hasznos lehet új, biológia által inspirált anyagok fejlesztéséhez. Ennek első lépése a véletlen rugalmas hálózatok mechanikai viselkedésének megértése, amelyhez pályázatunk eredményei hasznos új ismereteket szolgáltatnak.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The goal of our project is the investigation of the mechanics of random elastic networks. The motivation comes from the fact that many materials of engineering importance (rupper, paper, textile, insulations, etc.) or biological relevance (cytoskeleton, collagen) are built from random polymer network. Previous studies show a sharp transition between stretching and bending dominated regimes as a function of the network density when mechanical load is applied. By extending previous models, we wish to investigate if there is similar transition towards shear dominated parameter regimes, and if these findings are altered if the precise energy functional is used during the search for the equilibrium configurations instead of an approximate form. We plan to discover the role of pre-stress in the mechanics of random networks, and to investigate what happens when the network is allowed to have non-planar displacements or initial configurations. To have an insight into the mechanics of the cytoskeleton maintaining the shape of living cells, we extend the model by including three different types of rods mimicking the main polymers building up the cytoskeleton. We also investigate the progressive failure of the network by allowing its elements to fail under large load.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Models of random, elastic networks investigated up to now have not been conscientious enough about taking into account the moment bearing connections at the cross-links. Extending previous models in a convenient way, it becomes possible to investigate the role of the mechanical properties of the cross-links, this is the first step we take during the project. We intend to investigate whether the precise formulation of the energy functional to investigate random networks leads to results different from those obtained previously: based on our previous work, we expect the emergence of a large number of parasitic solutions. We expect that applying pre-stress on the network alters the boundary between regions of different mechanical behaviour, hence pre-stress can be used to tune the properties of the network. Real networks are rarely planar, hence we take steps to discover the effects of three-dimensionality. Results found in the literature related to three-dimensionality are ambiguous, it is yet to be clarified whether there is a sharp transition between parameter regions of different mechanical behaviour in three-dimensional networks: we intend to shed new light on this question. We plan to investigate the role of the various main polymer components of cytoskeleton in load bearing. It is also an important problem how the failure of individual elements of the network under large load leads to the collapse of the whole network after a re-arrangement of internal force distribution. We expect this process to be the opposite of a percolation process: elements of the network fail one after the other until a rigidity percolation limit is reached.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
In order to perform its many important tasks, cytoskeleton or other biological networks need to be able to adapt to the external or internal signals, that is, they must be able to change their mechanical properties in a wide range. It has been observed that these almost floppy structures, under strain, show a very strong stiffening. This means that, depending on external stimulus, these structures are highly adaptable. The physical background of such adaptability is that they are working close to the transition between regimes of very different properties, that is, these highly complex systems can be highly tuned to their multiple tasks. Understanding the details of this highly adaptable mechanical behaviour can lead us to construct new adaptable materials with superior properties.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Many materials with importance in engineering (rubber, insulations, filters) and relevance in biology (cytoskeleton, collagen) consists of a random network of elastic filaments. These materials often possess quite surprising mechanical properties, for example, collagen or cytoskeleton, when subject to external load, can stiffen by orders of magnitude. The uncommon mechanical behaviour of biomaterials can be explained by the fact that they are typically close to the boundary between quite different behavioural patterns, and crossing that boundary changes their properties to a great extent. Understanding this behaviour interspersed with transitions may be extremely useful in the development of new, biology inspired materials. The first step in this direction is the understanding of the mechanical behaviour of random elastic networks. Our project provides new knowledge in this perspective.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| L.S. Al-Rukaibawi: Mechanical properties of bamboo and related structural applications, PhD thesis, Budapest University of Technology and Economics, 2023 | | L.E. Hlavicka-Laczák, L.P. Kollár, Gy. Károlyi: Damage potential: A dimensionless parameter to characterite soft aircraft impact into robust targets, Submitted for publication, 2019 | | Gy. Károlyi, A.Á. Sipos: Soft impact of an elongated elasto-plastic missile, Submitted for publication, 2019 | | T. Tarnai, P.W. Fowler, S.D. Guest, F. Kovács: Auxetic behaviour of hinged rchimedean tilings, In preparation, 2019 | | L.E. Hlavicka-Laczák, L.P. Kollár, Gy. Károlyi: Damage potential: A dimensionless parameter to characterite soft aircraft impact into robust targets, Under minor revision in Structural Engineering and Mechanics, 2020 | | Gy. Károlyi, A.Á. Sipos: Soft impact of an elongated elasto-plastic missile, Submitted for publication, 2020 | | T. Tarnai, P.W. Fowler, S.D. Guest, F. Kovács: Auxetic behaviour of hinged Archimedean tilings, In preparation, 2021 | | L.E. Hlavicka-Laczák, L.P. Kollár, Gy. Károlyi: Damage potential: A dimensionless parameter to characterite soft aircraft impact into robust targets, Structural Engineering and Mechanics 78, 31-39, 2021 | | Gy. Károlyi, A.Á. Sipos: Soft impact of an elongated elasto-plastic missile, International Journal of Mechanical Sciences 212, 106804, 2021 | | T. Tarnai, P.W. Fowler, S.D. Guest, F. Kovács: Auxetic behaviour of hinged Archimedean tilings, In preparation, 2022 | | Gy. Károlyi, T. Tél: New features of doubly transient chaos: complexity of decay, Journal of Physics: Complexity 2, 035001, 2021 | | L.S. Al-Rukaibawi, Zs. Szalay, Gy. Károlyi: Numerical simulation of the effect of bamboo composite building envelope on summer overheating problem, Case Studies in Thermal Engineering 28, 101516, 2021 | | L.S. Al-Rukaibawi, S.L. Omairey, Gy. Károlyi:: A numerical anatomy-based modelling of bamboo microstructure, Construction and Building Materials 308, 125036, 2021 | | R.K. Németh, B. M.A. Alzubaidi: The Effect of Continuous Suspension Constraint on the Free Vibration and Buckling of a Beam, Periodica Polytechnica Civil Engineering 65, 977–987, 2021 | | D. Jánosi, Gy. Károlyi, T. Tél: Climate change in mechanical systems: the snapshot view of parallel dynamical evolutions, Nonlinear dynamics, accepted for publication as a feature article, 2021 | | L.S. Al-Rukaibawi (Presenter), S.L. Omairey, Gy. Károlyi: Novel numerical anatomy-based modelling of bamboo microstructure, Conference talk, 24th International Conference on Materials, Methods and Technologies, Burgas, Bulgaria, 19-22 August 2021 (online), 2021 | | F. Budaházi: A pókhálók szerkezetének dinamikai vizsgálata, TDK dolgozat, BME Geometria és tartószerkezetek szekció. Kari 1. díj és Rektori különdíj, OTDK részvétel. Konzulens: Sipos András Árpád., 2019 | | C. Nemessányi: A csontvégek szivacsos szerkezetének mechanikai vizsgálata, TDK dolgozat, BME Geometria és tartószerkezetek szekció. Kari 2. díj, OTDK részvétel. Konzulens: Sipos András Árpád, 2020 | | T. Tarnai, P.W. Fowler, S.D. Guest, F. Kovács: Equiauxetic Hinged Archimedean Tilings, Symmetry 14, 232, 2022 | | D. Jánosi, Gy. Károlyi, T. Tél: Climate change in mechanical systems: the snapshot view of parallel dynamical evolutions, Nonlinear dynamics 106, 2781-2805 (feature article), 2021 | | D. Tábi: Véletlen rúdhálózatok mechanikai viselkedése: a sejtváz modellezése, TDK dolgozat, BME Tartószerkezetek mechanikája szekció. Kari 1. díj, OTDK részvétel. Konzulens: Károlyi György., 2021 | | B. Alzubaidi, R.K. Németh: Modal analysis based calculation of nonlinear normal modes of forced piecewise linear elastic systems, Közlésre benyújtva, Journal of Sound and Vibration, 2022 | | S. Cao, A.Á. Sipos: Cracking patterns of brittle hemispherical domes: an experimental study, Frattura ed integrita strutturale 59, 265-310, 2022 | | L.S. Al-Rukaibawi, Gy. Károlyi: Nonlinear simulation of laminated bamboo-steel hybrid composite beam under bending, In preparation, 2022 | | L.S. Al-Rukaibawi, Gy. Károlyi: Nonlinear analysis of the semi-rigid connection of laminated bamboo-steel hybrid composites I-section beam-to-steel column, In preparation, 2022 | | R.K. Németh, A.Á. Sipos, L.S. Al-Rukaibawi, L.E. Hlavicka-Laczák, F. Kovács, Gy. Károlyi: Local shear stiffness switches between affine and non-affine regimes of a random net of elastic filaments, In preparation, 2022 | | L.E. Hlavicka-Laczák, V. Hlavička, Gy. Károlyi, F. Hajdú, S.G. Nehme, I. Voszech: Betonszerkezetek károsodása lövedékbecsapódás hatására. 1. rész., Haditechnika 55/5, 65-70, 2021 | | L.E. Hlavicka-Laczák, V. Hlavička, Gy. Károlyi, F. Hajdú, S.G. Nehme, I. Voszech: Betonszerkezetek károsodása lövedékbecsapódás hatására. 2. rész., Haditechnika 55/6, 56-59, 2021 | | B. Alzubaidi, R.K. Németh: Modal analysis-based calculation of periodic nonlinear responses of harmonically forced piecewise linear elastic systems, Journal of Sound and Vibration 549, 1175, 2023 | | R.K. Németh, A.Á. Sipos, L.S. Al-Rukaibawi, L.E. Hlavicka-Laczák, F. Kovács, Gy. Károlyi: Local shear stiffness switches between affine and non-affine regimes of a complex random net of elastic filaments, Journal of Physics: Complexity, submitted for publication, 2023 | | L.S. Al-Rukaibawi, Gy. Károlyi: Through-thickness distribution of bamboo tensile strength parallel to fibres, SN Applied Sciences 5, 174, 2023 | | L.S. Al-Rukaibawi, Gy. Károlyi: Nonlinear analysis of a bamboo plywood-steel composite I-section beam under bending, Materials Today: Proceedings, Available online 22 July 2023, 2023 | | M. Herein, D. Jánosi, T. Tél: An ensemble based approach for the effect of climate change on the dynamics of extremes, Frontiers in Earth Science, Accepted for publication, 2023 | | R.K. Németh, I.É. Lakatos: Three-dimensional elastic properties of open-cell porous structures: Analytic and finite element modelling, Mechanics of Materials, Under review, 2023 | | M. Sébastien, A.Á. Sipos: Fragmentation of inflated elastic brittle rings: Emergence of the quasi-equidistant spacing of cracks, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 179, 105372, 2023 | | L.S. Al-Rukaibawi; M. Kachichian; Gy. Károlyi: Mechanical properties of laminated bamboo lumber N-finity according to ISO 23478-2022, Journal of Wood Science, Under review, 2023 | | D. Tábi: Véletlen rúdhálózatok mechanikai vizsgálata, MSc Diplomamunka, BME Hidak és Szerkezetek Tsz. Konzulens: Károlyi György, Kollár László, 2023 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
