Investigation of the Mechanical Stability of Phase Change Material-Lattice Structure Composites

Abstract

[ES] Las estructuras reticulares constituyen un material avanzado para su uso en aplicaciones estructurales. Están están formadas por una disposición periódica de celdas unitarias, cada una de ellas formada por puntales interconectados. Las estructuras reticulares se han utilizado en múltiples campos de la ingeniería, pero debido a sus propiedades de ligereza, que incluyen una alta resistencia específica y rigidez, se han convertido en un material especialmente interesante para aplicaciones aeroespaciales. Los avances en la fabricación aditiva, como la fusión de lechos de polvo con láser (LPBF) han hecho posible la producción de estos materiales con gran precisión y, por tanto, han contribuido al reciente interés e investigación en torno a ellos. Uno de los posibles modos de fallo de las estructuras reticulares es el pandeo de los puntales individuales de la red (pandeo local). En un área de investigación aparentemente no relacionada, se ha despertado el interés por los materiales de cambio de fase (PCM) para el uso de los mismos. (PCM) para su uso como disipadores térmicos. Estos materiales tienen la capacidad de absorber cantidades significativas de calor cantidades significativas de calor mientras se funden a temperatura constante y también liberar este calor durante la solidificación. Esta propiedad da lugar a un amplio abanico de posibles aplicaciones, como la gestión térmica de los edificios, la gestión del litio, etc. de edificios, baterías de iones de litio y satélites. Sin embargo, los PCM suelen presentar bajas conductividades térmicas, lo que limita las tasas de absorción/emisión de energía. Este problema puede resolverse encapsulando el PCM en un material altamente conductor. Convenientemente, las estructuras reticulares pueden utilizarse para encapsular el material de cambio de fase. La creación de un compuesto de estructura reticular de PCM ofrece la oportunidad no sólo de resolver el problema de la conducción del calor, sino también de mejorar el rendimiento de la tecnología. de calor, sino también de mejorar el comportamiento de pandeo local. La hipótesis puede ser postular que, al incrustar los puntales de la celosía en el PCM, éste actúa como un medio elástico aumentando la estabilidad y, por tanto, la resistencia al pandeo de los puntales. El objetivo de esta tesis es analizar la diferencia en la resistencia al pandeo durante la compresión axial de una estructura reticular y un compuesto reticular-PCM. El problema se resuelve numéricamente mediante el método de elementos finitos y los resultados se comparan con las soluciones analíticas siempre que sea posible.

[EN] Truss lattice structures present an advanced material for use in structural applications. They are made of a periodic arrangement of unit cells each consisting of interconnected struts. Truss lattices have found use in multiple fields of engineering, but due to their lightweight properties, including high specific strength and stiffness, they are especially interesting for aerospace applications. Developments in additive manufacturing, like laser-based powder bed fusion (LPBF), have made it possible to produce these materials with high precision and thus contributed to recent interest and research around them. One of the possible failure modes of lattice structures is buckling of the individual lattice struts (local buckling). In a seemingly unrelated area of research, there has been interest around phase-change materials (PCMs) for use as thermal sinks. These materials have the ability of absorbing significant amounts of heat while melting at constant temperature and also releasing this heat during solidification. This property leads to a wide range of possible applications, including thermal management of buildings, lithium-ion batteries and satellites. However, PCMs tend to present low thermal conductivities, which limits the energy absorption/emitting rates. This problem can be resolved by encapsulating the PCM in a highly conductive material. Conveniently, truss lattice structures can be used to act as encasement of the phase-change material. Creating a PCM-lattice structure composite presents the opportunity to not only solve the heat conduction problem, but also improve on local buckling behaviour. The hypothesis can be postulated that, by embedding the lattice struts in the PCM, the latter acts as an elastic medium, increasing the stability and therefore the buckling strength of the struts. The goal of this thesis is to analyse the difference in buckling strength during axial compression of a lattice structure and a lattice-PCM composite. The problem is resolved numerically through the finite-element method and the results are compared to analytical solutions whenever possible.