Mechanical characterization and numerical modelling of auxetic sheet metal for innovative lightweight structure design

Abstract

This dissertation presents a comprehensive study on the characterization of mechanical behavior and numerical modeling of auxetic sheet metals exhibiting a negative Poisson’s ratio designed for lightweight and high-performance structural applications. Focusing on rotating unit structures fabricated from AlMg3 aluminum alloy, the research combines experimental characterization with advanced computational techniques to understand and predict the material response under various loading conditions. The experimental work includes uniaxial and biaxial tensile tests, supported by Digital Image Correlation (DIC) and Infrared Thermography (IRT) for in-situ strain and temperature analysis. Parametric studies were performed to investigate the influence of pattern size, aspect ratio and orientation angle on the global auxetic effect, stiffness and strength of the perforated sheet. A representative volume element (RVE) was identified for effective property evaluation and anisotropic behavior was characterized based on the structural geometry at different orientation angles. On the numerical side, fully resolved finite element simulations and homogenization techniques were employed to extract effective mechanical properties from the microscale. A macroscopic anisotropic elasto-plastic material model was developed, derived from microscale behavior and implemented in ABAQUS® using a user-defined material subroutine (UMAT). This model accurately captures both the anisotropy and pressure-sensitive plasticity observed in experiments and was validated through comparison with test data, including uniaxial loading scenarios. The findings provide a validated framework for the design and analysis of auxetic structures and contribute to the broader understanding of metamaterials in engineering.

Diese Dissertation befasst sich umfassend mit der Charakterisierung des mechanischen Verhaltens und der numerischen Modellierung auxetischer Bleche mit negativem Querkontraktionszahl für den Einsatz in innovativen, gewichtsoptimierten Strukturen. Im Fokus stehen „Rotating-Unit“- Strukturen aus der AlMg3-Aluminiumlegierung, deren Verhalten unter verschiedenen Belastungsbedingungen sowohl experimentell als auch numerisch untersucht wurde. Die experimentellen Untersuchungen umfassen einachsige und biaxiale Zugversuche, die durch Digitale Bildkorrelation (DIC) und Infrarot- Thermografie (IRT) zur in-situ Analyse von Dehnungen und Temperaturfeldern unterstützt wurden. Parametrische Studien wurden durchgeführt, um den Einfluss von Mustergröße, Seitenverhältnis der Perforationen sowie der Orientierung des Musters auf globale Eigenschaften wie den auxetischen Effekt, die Steifigkeit und die Festigkeit der perforierten Bleche zu analysieren. Ein repräsentatives Volumenelement (RVE) wurde zur Ermittlung effektiver Materialkennwerte definiert und das anisotrope Materialverhalten wurde in Abhängigkeit von der strukturellen Geometrie unter verschiedenen Orientierungswinkeln charakterisiert. Auf numerischer Ebene wurden vollständig aufgelöste Finite-Elemente- Simulationen sowie Homogenisierungstechniken eingesetzt, um effektive mechanische Eigenschaften auf der Mikroskala zu bestimmen. Basierend auf dem mikroskopischen Materialverhalten wurde ein makroskopisches, anisotropes, elasto-plastisches Materialmodell entwickelt und mittels einer benutzerdefinierten Materialsubroutine (UMAT) in ABAQUS® implementiert. Das Modell bildet sowohl die Anisotropie als auch die in den Experimenten beobachtete druckabhängige Plastizität realitätsgetreu ab und wurde erfolgreich anhand experimenteller Ergebnisse, einschließlich einachsiger Zugversuche, validiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern ein zuverlässiges und übertragbares Rahmenwerk zur Beschreibung und Auslegung auxetischer Strukturen und leisten einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von Metamaterialien in der Technik.