Investigating Mechanical Behavior of a Lattice Structure Inspired by Venus’ Flower Basket

Abstract

In this study, mechanical behavior of a lattice structure inspired by Venus’ Flower Basket, a deep sea sponge, is investigated. To this end, the lattice structure is first designed considering the structural elements constituting the skeleton of the sponge. Then, a finite element model is generated by using beam elements. Critical buckling load of the preliminary design is determined by conducting linear buckling analysis (eigenvalue buckling analysis) assuming the structure is under pressure both in longitudinal and circumferential directions. Next, to improve the critical buckling load of the preliminary design, a surface response optimization-based algorithm is utilized to obtain optimum geometric parameters. It is shown that the critical buckling load can be improved while total volume of the structure is reduced with the adapted optimization algorithm.

Keywords

• biomimetics
• finite element method
• Venus' Flower Basket
• buckling

Venüs’ün Çiçek Sepeti Süngerinden Esinlenerek Tasarlanmış Bir Kafes Sistemin Yapısal Davranışının İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada Venüs’ün Çiçek Sepeti adlı deniz süngerinden esinlenilerek tasarlanmış bir kafesyapının mekanik davranışı incelenmiştir. İlk olarak canlının sahip olduğu silindirik iskelet ve iskeleti oluşturan yapısal elemanlar göz önüne alınarak tasarlanan kafes sistemin sonlu elemanlar modeli kiriş elemanlar yardımıyla oluşturulmuştur. Tasarlanan yapının mekanik davranışı canlının yaşadığı ortam da göz önüne alınarak burkulma açısından incelenmiştir. Lineer burkulma analizleri yapının hem boyuna hem de çevresel yönde basınca maruz kaldığı kabul edilerek gerçekleştirilmiştir. Belirlenen ön dizayn değerleriyle hesaplanan kritik burkulma yükünü iyileştirmek için Tepki Yüzey Metodolojisi tabanlı bir algoritma ile geometrik parametreler optimize edilmiştir. Yapısal optimizasyon çalışmasıyla hacmin azaltılırken kritik burkulma yükünün arttırabileceği gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• biyomimetik
• sonlu elemanlar metodu
• Venüs'ün Çiçek Sepeti
• burkulma

Kaynakça

1. Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., and Kesari, H. (2015). New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(16), 4976-4981.
2. Morankar, S., Singaravelu, A. S. S., Niverty, S., Mistry, Y., Penick, C. A., Bhate, D., and Chawla, N. (2022). Tensile and fracture behavior of silica fibers from the Venus flower basket (Euplectella aspergillum). International Journal of Solids and Structures, 111622.
3. Reisen, K., Teschemacher, U., Niehues, M., and Reinhart, G. (2016). Biomimetics in production organization–a literature study and framework. Journal of Bionic Engineering, 13(2), 200-212.
4. Sevencan, H. (2020). Tekstil ve giysi tasariminda biyomimetik uygulamalari. Uluslararası Disiplinlerarası ve Kültürlerarası Sanat, 5(10), 101-118.
5. Taşkan, M., Mutlu Avinç, G., and Arslan Selçuk, S. (2022). Canlıların su dengesi sağlama stratejileri ve biyo-bilgili yapı kabuğu tasarımı. Online Journal of Art and Design, 10(1).
6. Tavangarian, F., Sadeghzade, S., and Davami, K. (2021). A novel biomimetic design inspired by nested cylindrical structures of spicules. Journal of Alloys and Compounds, 864, 158197.
7. Weaver, J. C., Aizenberg, J., Fantner, G. E., Kisailus, D., Woesz, A., Allen, P., Fields, K., Porter, M. J., Zok, F. W., Hansma, P. K., Fratzl, P. & Morse, D. E. (2007). Hierarchical assembly of the siliceous skeletal lattice of the hexactinellid sponge Euplectella aspergillum. Journal of structural biology, 158(1), 93-106.
8. Yildizdag, M. E., Tran, C. A., Barchiesi, E., Spagnuolo, M., and Hild, F. (2019). A multi-disciplinary approach for mechanical metamaterial synthesis: A hierarchical modular multiscale cellular structure paradigm. In State of the art and future trends in material modeling (pp. 485-505). Springer, Cham.