Kirigami Parachutes Flow-Induced Reconfiguration of Kirigami Mechanical Metamaterials

Le kirigami, l’art de découper du papier, est devenu largement utilisé en ingénierie pour créer des métamatériaux mécaniques démontrant des propriétés exotiques. Dans un écoulement, les structures kirigami peuvent générer des comportements aérodynamiques complexes en raison de leur porosité et déformation. En effet, en raison de leur flexibilité, ce type de structure se déforme fortement sous écoulement afin de réduire la traînée qu’ils génèrent, de manière similaire au comportement des plantes visant à augmenter leur résilience, comportement appelé la reconfiguration. En s’inspirant de différentes espèces végétales volantes, qui profitent de la reconfiguration, et du kirigami, nous développons un nouveau type de parachute basé sur le kirigami en boucle fermée. Pour cela, nous nécessitons un outil permettant d’évaluer la déformée de structures soumises à un chargement fluide, ainsi qu’une intuition quant au comportement des disques kirigami sous écoulement. Nous développons d’abord un modèle de reconfiguration induit par écoulement (FIRM) sur MATLAB basé sur un argument de conservation de la quantité de mouvement visant à approximer la traînée de pression utilisant les éléments finis corotationnels. Le modèle choisi permet aux chargements de pression d’avoir une amplitude variant en fonction de la déformation de la structure, causant des chargements hautement non-linéaires. La nouveauté de cette implémentation provient de la versatilité permise par le modèle éléments finis en comparaison aux théories spécialisées des poutres et plaques. Nous vérifions cette implémentation en utilisant des solutions semi-analytique sur des poutres et disques avec plusieurs coupes, et nous la validons à l’aide d’expériences sur des feuilles kirigami et disques se repliant sur eux-mêmes. Nous trouvons un excellent accord avec la théorie et l’expérience grâce à notre modèle. L’article décrivant cette implémentation et sa vérification a été soumis au journal Extreme Mechanics Letters. En utilisant le logiciel éléments finis précédemment développé, nous étudions le comportement d’un disque kirigami en boucle fermée sous écoulement. Nous procédons d’abord à des essais de chute et étudions leur comportement, démontrant que certains patrons kirigami en boucle fermée peuvent se déformer en s’allongeant. En procédant à des expériences en soufflerie, nous caractérisons la traînée et l’allongement des disques kirigami à différentes vitesses d’écoulement. Grâce à l’analyse dimensionnelle, nous trouvons la formulation d’un nombre de reconfiguration, d’un allongement normalisé et du nombre de Cauchy permettant de regrouper les données expérimentales sur une courbe maitresse, une pour la traînée et l’autre pour l’allongement.