Анализ на изгиб композита сэндвич-панели с повторно

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 15796 (2022 г.) Цитировать эту статью

Доступы 1943 г.

5 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Сэндвич-панели широко используются во многих отраслях промышленности благодаря своим высоким механическим свойствам. Средний слой этих структур является очень важным фактором в контроле и улучшении их механических характеристик при различных сценариях нагрузки. Конфигурации входной решетки являются заметными кандидатами, которые могут быть использованы в качестве среднего слоя в таких сэндвич-структурах по нескольким причинам, а именно, из-за простоты настройки их упругости (например, значений коэффициента Пуассона и упругой жесткости) и пластичности (например, высокой соотношение прочности к весу) путем лишь корректировки геометрических особенностей составляющих элементарных ячеек. Здесь мы исследовали реакцию трехслойной сэндвич-пластины с входящей решеткой сердцевины при изгибном изгибе, используя аналитические (т. е. теорию зигзага), вычислительные (т. е. метод конечных элементов) и экспериментальные тесты. Мы также проанализировали влияние различных геометрических параметров (например, угла, толщины и отношения длины к высоте элементарных ячеек) входящих решетчатых структур на общее механическое поведение сэндвич-структур. Мы обнаружили, что основные структуры с ауксетическим поведением (т.е. с отрицательным коэффициентом Пуассона) приводят к более высокой прочности на изгиб и минимальному напряжению сдвига вне плоскости по сравнению со структурами с обычными решетками. Наши результаты могут проложить путь к разработке современных сэндвич-структур с решетчатыми ядрами для аэрокосмических и биомедицинских применений.

Сэндвич-конструкции широко используются во многих отраслях промышленности, таких как проектирование машин и спортивного оборудования, морская, аэрокосмическая и биомедицинская техника, благодаря их высокой прочности и малому весу. Структуры с возвратной решеткой входят в число потенциальных кандидатов на роль центрального слоя в таких композитных структурах из-за их превосходной способности поглощать энергию и высоких свойств прочности к весу1,2,3. В прошлом были предприняты значительные усилия по разработке легких сэндвич-структур с входными решетками для получения еще более улучшенных механических свойств. Примерами таких конструкций являются нагрузки под высоким давлением в корпусах кораблей и амортизаторы в автомобилях4,5. Что делает входящие решетчатые структуры чрезвычайно популярными, уникальными и подходящими для конструкций сэндвич-панелей, так это возможность независимо настраивать их упругие механические свойства (т.е. упругую жесткость и коэффициент Пуассона), просто регулируя их микроструктурную геометрию в меньшем масштабе. Среди этих интересных свойств — ауксетичное поведение (или отрицательный коэффициент Пуассона), которое относится к поперечному расширению решетчатых структур, когда они растянуты в продольном направлении6. Это необычное поведение происходит из-за микроструктурного дизайна составляющих их элементарных ячеек7,8,9.

После первоначальных исследований Лейкса по производству ауксетических пен были предприняты значительные усилия по разработке пористых структур с отрицательными значениями коэффициента Пуассона10,11. С этой целью было предложено несколько геометрических конструкций, таких как хиральные, полужесткие и жесткие вращающиеся элементарные ячейки12, каждая из которых демонстрирует ауксетическое поведение. Появление технологий аддитивного производства (АП, также известных как 3D-печать) также помогло реализовать эти 2D или 3D ауксетические структуры13.

Ауксетическое поведение обеспечивает уникальные механические свойства. Например, Лейкс и Элмс14 показали, что ауксетические пены имеют более высокий предел текучести, более высокую способность поглощения энергии при ударной нагрузке и более низкие свойства жесткости по сравнению с обычными пенопластами. Что касается динамических механических свойств ауксетических пен, они показали более высокую устойчивость при динамических нагрузках на раздавливание и более высокую способность к удлинению при чистом растяжении15. Кроме того, использование ауксетических волокон в качестве армирования композитов приведет к улучшению их механических свойств16 и устойчивости к повреждениям, возникающим в результате удлинения волокон17.