Topologically interlocked materials and structures, which are assemblies of unbonded interlocking building blocks, are promising concepts for versatile structural applications. They have been shown to exhibit exceptional mechanical properties, including outstanding combinations of stiffness, strength, and toughness, beyond those achievable with common engineering materials. Recent work has established a theoretical upper limit for the strength and toughness of beam-like topologically interlocked structures. However, this theoretical limit is only achievable for structures with unrealistically high friction coefficients; therefore, it remains unknown whether it is achievable in actual structures. Here, we demonstrate that a hierarchical approach for topological interlocking, inspired by biological systems, overcomes these limitations and provides a path toward optimized mechanical performance. We consider beam-like topologically interlocked structures that present a sinusoidal surface morphology with controllable amplitude and wavelength and examine the properties of the structures using numerical simulations. The results show that the presence of surface morphologies increases the effective frictional strength of the interfaces and, if well-designed, enables us to reach the theoretical limit of the structural carrying capacity with realistic friction coefficients. Furthermore, we observe that the contribution of the surface morphology to the effective friction coefficient of the interface is well described by a criterion combining the surface curvature and surface gradient. Our study demonstrates the ability to architecture the surface morphology in beam-like topological interlocked structures to significantly enhance its structural performance.


翻译:拓扑交错材料和结构是一种由非粘合插入式构件组装而成的材料和结构,是多用途结构应用的有前途的概念。它们已被证明具有出色的机械性能,包括优异的刚度、强度和韧性,超越了常规工程材料的性能。最近的工作已确定了梁状拓扑交错结构的强度和韧度的理论上限。然而,这个理论上限仅适用于具有不切实际的高摩擦系数的结构;因此,它仍然未知是否适用于实际结构。在这里,我们展示了一种受生物系统启发的层级拓扑交错设计方法,克服了这些限制并提供了通向优化机械性能的路径。我们考虑采用可控振幅和波长的正弦型表面形态的梁状拓扑交错结构,并使用数值模拟研究了这些结构的性质。结果表明,表面形态的存在增加了界面的有效摩擦强度,并且如果设计得当,可以在实际摩擦系数下达到结构承载能力的理论上限。此外,我们观察到表面形态对界面的有效摩擦系数的贡献可以很好地用表面曲率和表面梯度的组合准则描述。我们的研究表明,设计梁状拓扑交错结构的表面形态可以显著提高其结构性能。

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