• 벽 제약을 갖는 등급(graded) 자이로이드(gyroid)를 에너지 흡수를 위한 구조로 제안한다. • 외벽은 하중 전달을 향상시켜 붕괴 및 치밀화(densification)를 지연시킨다. • 결합된 등급화(grading)와 구속(confinement) 하에서 에너지 흡수는 최대 240%까지 향상된다. • 이중 목적 설계는 충돌 에너지 흡수와 힘 제한(force-limiting) 거동을 모두 최적화한다. • 실험 및 수치해석 결과는 압축 하중 조건에서의 성능을 확인한다. 자이로이드 메타물질(gyroid metamaterials)은 높은 표면적/부피비, 매끈한 응력 분포, 조절 가능한 기계적 반응으로 인해 충격 완화에 유망하다. 본 연구는 3D 프린팅으로 제조한 서모플라스틱 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU) 자이로이드 구조 30종을 대상으로, 단순 자이로이드(simple gyroid, SG)와 벽 제약 자이로이드(wall constrained gyroid, CG) 구조를 동일한 개수로 구성하였다. 에지당 유닛 셀(unit cell) 수로 정의되는 세 가지 기하학적 정련(geometric refinements)과, 균일(0%)에서 등급(40%)에 이르는 다섯 가지 상대 밀도(relative density) 구배를 적용하여 준정적(quasi-static) 압축 하에서의 체계적 평가가 가능하도록 하였다. 두 가지 성능 시나리오를 정의하였는데, 흡수 에너지를 최대화하기 위한 충돌-에너지 흡수(crash-absorption) 경우와, 전해지는 전달 최대 하중의 피크를 최소화하기 위한 힘 제한(force-limiting) 경우로, 각각 자동차 범퍼 및 웨어러블 보호 장비와 같은 응용에 해당한다. 실험은 유한요소 시뮬레이션을 검증하였으며, 그 결과 CG 설계가 SG 설계에 비해 에너지 흡수를 최대 240%까지, 그리고 비에너지 흡수(specific energy absorption)를 68% 더 크게 달성하는 것으로 나타났다. 성능 맵은 에너지 흡수 효율을 위한 최적 조건으로 에지당 2개의 셀을 갖는 CG 구조와 30%의 상대 밀도 구배를 도출하였으며, 차세대 충격 완화 메타물질을 위한 실행 가능한 설계 규칙을 제공한다.

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