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Type: Tese
Title: Nonlinear dynamics of an origami tessellation based on the waterbomb pattern
Author(s)/Inventor(s): Fonseca, Larissa Maciel da
Advisor: Savi, Marcelo Amorim
Abstract: Origamis vêm inspirando novas estruturas adaptativas, como micro robôs, painéis solares e coletores de energia. Um dos desafios no projeto de estruturas origâmicas é o grande número de graus de liberdade (GdLs) associados a tais estruturas complexas, incluindo variáveis associadas às dobras vincadas e variáveis ocultas associadas à flexão e torção de painéis. As tesselações fechadas possuem um número reduzido de GdL quando comparadas às abertas, além de um comportamento periódico. Simetrias permitem a descrição da estrutura a partir de modelos de ordem reduzida. Este trabalho apresenta uma visão geral de estruturas origâmicas, em especial o padrão waterbomb e tesselações relacionadas. A ideia é estudar uma célula unitária estabelecendo uma comparação entre as formulações cinemática e mecânica. O estudo é expandido para tesselações, considerando casos abertos e fechados. Propõem-se modelos de ordem reduzida para descrever o comportamento mecânico dos origamis, verificando a sua validade a partir de uma comparação com modelos mais sofisticados. A dinâmica não linear de estruturas origâmicas é investigada considerando uma roda-origami, uma tesselação waterbomb fechada modificada. Finalmente, analisa-se um robô autônomo equipado com duas rodas-origami, investigando a manobrabilidade e capacidade de resposta a partir da deformação das rodas.
Abstract: Origamis have been inspiring new adaptive structures, such as micro robots, solar panels and energy harvesting. One of the challenges of the design of origami structures is the large number of degrees of freedom (DoF) associated with such complex structures, including variables associated with creased folds and hidden variables associated with the bending and twisting of panels. Closed tessellations have a reduced number of DoF when compared to open ones. Symmetries allow the description of the structure from reducedorder models. This work presents an overview of origami structures, with special interest on waterbomb pattern and related tessellations. A unit cell is studied establishing a comparison with kinematic and mechanical formulations. The study is expanded to tessellations, considering open and closed cases. Reduced-order models are proposed in order to describe the mechanical behavior of the origamis, verifying their validity from a comparison with more sophisticated models. Nonlinear dynamics of origamis is explored by investigating an origami wheel, a modified closed waterbomb tessellation. Finally, a two-wheel autonomous robot with origami wheel is analyzed, investigating the maneuverability and responsiveness from the deformation of the wheels. Numerical simulations related to operational conditions are performed for different thermal and mechanical loads, showing rich behaviors with periodic and chaotic responses.
Keywords: Bomba d'água
Mosaico de origami
Dinâmica não linear
Origami estrutural
Método dos elementos finitos
Ligas com memória de forma
Nonlinear dynamics
Structural origami
Finite element method
Shape memory alloys
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Jul-2021
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Citation: FONSECA, Larissa Maciel da. Nonlinear dynamics of an origami tessellation based on the waterbomb pattern. 2021. 115 f. Tese (Doutorado) - Programa de Engenharia Mecânica, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.
Appears in Collections:Engenharia Mecânica

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