Evaluación numérica de bandas de transmisión en metamateriales mecánicos blandos sometidos a deformación vía elementos finitos

Abstract

Los metamateriales se definen como un arreglo de estructuras artificiales que determinan las propiedades mecánicas del metamaterial, es decir, existe una dependencia estructural y por ello resultan de gran interés debido a sus propiedades mecánicas mejoradas, que son difíciles de obtener en materiales convencionales [1]. Entre estos materiales no convencionales, se encuentran los metamateriales mecánicos blandos que se caracterizan por tener una baja rigidez y alta flexibilidad. Una característica relevante de ellos es la capacidad de adaptar la propagación de ondas a través de las bandas de frecuencia donde se aíslen las vibraciones, cuya propiedad ha permitido diseñar dispositivos de reducción de ruidos y aislante de vibraciones, entre otros [2]. En este trabajo se estudia la propagación de ondas en un metamaterial mecánico blando, hecho a partir de silicona y agua, que cuenta con propiedades de transmisión ajustables según su deformación, de acuerdo con un estudio realizado por el Departamento de Física, DFI, de la Universidad de Chile [3]. El objetivo principal de este trabajo es evaluar las bandas de transmisión en metamateriales mecánicos blandos sometidos a deformación vía elementos finitos y para lograr aquello, en primer lugar, se caracterizan las propiedades mecánicas de la silicona a partir de un ensayo de compresibilidad en el cual se determina que, el módulo de Young y el coeficiente de Poisson de la silicona es igual a 450 [kPa] y 0,49, respectivamente. Luego, se valida la configuración numérica del metamaterial a partir de un caso simplificado, conformado por un cubo de silicona y una esfera de agua ubicada en el centro. A partir de este modelo simplificado, se define que el módulo de corte del agua será un 3,33 % del módulo de corte de la silicona, es decir, será igual a 5,03 [kPa]. Seguidamente se indican los resultados experimentales obtenidos por el DFI, para realizar un análisis comparativo entre ellos y los resultados numéricos obtenidos en este trabajo. A partir de este análisis se concluye que el modelo lineal isotrópico, utilizado para modelar los materiales constituyentes del metamaterial, entrega resultados aproximados a los que se obtuvieron experimentalmente, y la diferencia entre ellos y los resultados numéricos, respecto a las bandas de transmisión, se debe al comportamiento no lineal de la silicona. Finalmente, se destaca como trabajo futuro considerar las no linealidades del sistema y utilizar equipos con mayor precisión, durante el experimento, para disminuir las diferencias entre los resultados experimentales obtenidos para un mismo nivel de compresión.