Publication

Magneto-active elastic shells with tunable buckling strength

Résumé

Shell buckling is central in many biological structures and advanced functional materials, even if, traditionally, this elastic instability has been regarded as a catastrophic phenomenon to be avoided for engineering structures. Either way, predicting critical buckling conditions remains a long-standing challenge. The subcritical nature of shell buckling imparts extreme sensitivity to material and geometric imperfections. Consequently, measured critical loads are inevitably lower than classic theoretical predictions. Here, we present a robust mechanism to dynamically tune the buckling strength of shells, exploiting the coupling between mechanics and magnetism. Our experiments on pressurized spherical shells made of a hard-magnetic elastomer demonstrate the tunability of their buckling pressure via magnetic actuation. We develop a theoretical model for thin magnetic elastic shells, which rationalizes the underlying mechanism, in excellent agreement with experiments. A dimensionless magneto-elastic buckling number is recognized as the key governing parameter, combining the geometric, mechanical, and magnetic properties of the system.

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Concepts associés (32)
Flambage
thumb|Flexion sous un effort de compression. Le flambage ou flambement est un phénomène d'instabilité d'une structure élastique qui pour échapper à une charge importante exploite un mode de déformation non sollicité, opposant moins de raideur à la charge. La notion de flambement s'applique généralement à des poutres élancées qui lorsqu'elles sont soumises à un effort normal de compression, ont tendance à fléchir et se déformer dans une direction perpendiculaire à l'axe de compression (passage d'un état de compression à un état de flexion) ; mais elle peut aussi s'appliquer par exemple à des lames de ressort sollicitées en flexion qui se déversent en torsion pour échapper à la charge.
Essai de compression
Un essai de compression mesure la résistance à la compression d'un matériau sur une machine d'essais mécaniques suivant un protocole normalisé. Les essais de compression se font souvent sur le même appareil que l'essai de traction mais en appliquant la charge en compression au lieu de l'appliquer en traction. Pendant l'essai de compression, l'échantillon se raccourcit et s'élargit. La déformation relative est « négative » en ce sens que la longueur de l'échantillon diminue.
Résistance des matériaux
vignette|Essai de compression sur une éprouvette de béton, une pression croissante est appliquée verticalement sur l'échantillon pendant que deux appareils mesurent les déformations longitudinales et transversales de l'éprouvette. vignette|À l'issue du test, l'éprouvette s'est rompue. Notez la cassure longitudinale. La résistance des matériaux (RDM) est une discipline particulière de la mécanique des milieux continus, permettant le calcul des contraintes et déformations dans les structures des différents matériaux (machines, génie mécanique, bâtiment et génie civil).
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