Täname, et külastasite veebilehte Nature.com. Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni. Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim). Vahepeal näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Sandwich-paneelide struktuure kasutatakse nende kõrgete mehaaniliste omaduste tõttu laialdaselt paljudes tööstusharudes. Nende konstruktsioonide vahekiht on väga oluline tegur nende mehaaniliste omaduste kontrollimisel ja parandamisel erinevates koormustingimustes. Nõgusad võrestruktuurid on silmapaistvad kandidaadid selliste kihtstruktuuride vahekihtidena kasutamiseks mitmel põhjusel, nimelt nende elastsuse (nt Poissoni suhe ja elastse jäikuse väärtused) ja plastilisuse (nt kõrge elastsus) lihtsuse huvides häälestamiseks. Tugevuse ja kaalu suhte omadused saavutatakse ainult üksuse elemendi moodustavate geomeetriliste elementide reguleerimisega. Siin uurime 3-kihilise nõgusa südamikuga sandwich-paneeli paindereaktsiooni, kasutades analüütilisi (st siksakiteooria), arvutuslikke (st lõplikud elemendid) ja eksperimentaalseid teste. Analüüsisime ka nõgusa võre struktuuri erinevate geomeetriliste parameetrite (nt nurk, paksus, raku ühiku pikkuse ja kõrguse suhe) mõju kihilise struktuuri üldisele mehaanilisele käitumisele. Oleme leidnud, et aukseetilise käitumisega (st negatiivse Poissoni suhtega) südamikustruktuuridel on suurem paindetugevus ja minimaalne tasapinnaline nihkepinge võrreldes tavaliste restidega. Meie leiud võivad sillutada teed täiustatud mitmekihiliste struktuuride väljatöötamiseks, millel on arhitektuursed südamikuvõred kosmose- ja biomeditsiiniliste rakenduste jaoks.
Tänu oma suurele tugevusele ja väikesele kaalule kasutatakse sandwich-konstruktsioone laialdaselt paljudes tööstusharudes, sealhulgas mehaaniliste ja spordiseadmete projekteerimisel, merenduses, kosmosetööstuses ja biomeditsiinitehnikas. Nõgusad võrestruktuurid on üks potentsiaalne kandidaat, mida peetakse sellistes komposiitstruktuurides südamikukihtideks tänu nende suurepärasele energia neeldumisvõimele ja kõrgetele tugevuse ja kaalu suhte omadustele 1, 2, 3. Varem on tehtud suuri jõupingutusi nõgusate võredega kergete sandwich-struktuuride kujundamiseks, et mehaanilisi omadusi veelgi parandada. Selliste konstruktsioonide näidete hulka kuuluvad laevakerede kõrgsurvekoormus ja autode amortisaatorid4,5. Põhjus, miks nõgussõrestik on väga populaarne, ainulaadne ja kihtpaneelide ehitamiseks sobiv, on selle võime iseseisvalt häälestada oma elastomehhaanilisi omadusi (nt elastsusjäikus ja Poissoni võrdlus). Üks selline huvitav omadus on aukseetiline käitumine (ehk negatiivne Poissoni suhe), mis viitab võrestruktuuri külgsuunalisele laienemisele pikisuunas venitamisel. See ebatavaline käitumine on seotud selle moodustavate elementaarrakkude mikrostruktuurilise disainiga 7, 8, 9.
Alates Lakesi esialgsetest uurimustest aukseetsete vahtude tootmise kohta on tehtud märkimisväärseid jõupingutusi negatiivse Poissoni suhtega poorsete struktuuride väljatöötamiseks10,11. Selle eesmärgi saavutamiseks on pakutud välja mitu geomeetriat, näiteks kiraalsed, pooljäigad ja jäigad pöörlevad ühikuelemendid, 12 mis kõik omavad aukseetilist käitumist. Lisandustootmise (AM, tuntud ka kui 3D printimine) tehnoloogiate tulek on samuti hõlbustanud nende 2D või 3D aukseetiliste struktuuride rakendamist13.
Aukseetiline käitumine annab ainulaadsed mehaanilised omadused. Näiteks Lakes ja Elms14 on näidanud, et aukseetvahtudel on suurem voolavuspiir, suurem löögienergia neeldumisvõime ja väiksem jäikus kui tavalistel vahtudel. Võttes arvesse aukseetsete vahtude dünaamilisi mehaanilisi omadusi, on neil suurem vastupidavus dünaamilise purunemiskoormuse korral ja suurem pikenemine puhta pinge korral15. Lisaks parandab aukseetkiudude kasutamine komposiitmaterjalides tugevdavate materjalidena nende mehaanilisi omadusi16 ja vastupidavust kiu venitusest põhjustatud kahjustustele17.
Uuringud on samuti näidanud, et nõgusate aukseetiliste struktuuride kasutamine kumerate komposiitstruktuuride südamikuna võib parandada nende tasapinnalist jõudlust, sealhulgas paindejäikust ja tugevust18. Kihilist mudelit kasutades on samuti täheldatud, et aukseetiline südamik võib suurendada komposiitpaneelide purunemistugevust19. Aukseetiliste kiududega komposiidid takistavad ka pragude levikut võrreldes tavaliste kiududega20.
Zhang et al.21 modelleerisid naasvate rakustruktuuride dünaamilise kokkupõrke käitumise. Nad leidsid, et pinget ja energia neeldumist saab parandada aukseetilise ühikuelemendi nurga suurendamisega, mille tulemuseks on negatiivsema Poissoni suhtega võre. Samuti tegid nad ettepaneku, et selliseid aukseetilisi sandwich-paneele saaks kasutada kaitsekonstruktsioonidena suure deformatsioonikiirusega löökkoormuse eest. Imbalzano et al.22 teatasid ka, et aukseetilised komposiitlehed võivad plastilise deformatsiooni tõttu hajutada rohkem energiat (st kaks korda rohkem) ja vähendada tippkiirust tagaküljel 70% võrreldes ühekihiliste lehtedega.
Viimastel aastatel on palju tähelepanu pööratud aukseetilise täiteainega sandwich-struktuuride arvulistele ja eksperimentaalsetele uuringutele. Need uuringud toovad esile viise nende sandwich-struktuuride mehaaniliste omaduste parandamiseks. Näiteks piisavalt paksu aukseetilise kihi käsitlemine sandwich-paneeli südamikuna võib anda tulemuseks kõrgema efektiivse Youngi mooduli kui kõige jäigemal kihil23. Lisaks saab optimeerimisalgoritmi abil parandada lamineeritud talade 24 või aukseetilise südamikuga torude 25 paindekäitumist. Laiendatava südamikuga kihtkonstruktsioonide mehaanilise testimise kohta keerukamate koormuste korral on ka teisi uuringuid. Näiteks betoonkomposiitide survekatsed aukseetiliste täitematerjalidega, sandwich-paneelid plahvatuslikul koormusel27, paindekatsed28 ja väikese kiirusega löögikatsed29, samuti funktsionaalselt diferentseeritud aukseetiliste täitematerjalidega sandwich-paneelide mittelineaarse painde analüüs30.
Kuna selliste konstruktsioonide arvutisimulatsioonid ja eksperimentaalsed hindamised on sageli aeganõudvad ja kulukad, on vaja välja töötada teoreetilised meetodid, mis suudaksid tõhusalt ja täpselt anda teavet, mis on vajalik mitmekihiliste aukseetiliste südamikstruktuuride kavandamiseks suvaliste koormustingimuste korral. mõistlik aeg. Kaasaegsetel analüüsimeetoditel on aga mitmeid piiranguid. Eelkõige ei ole need teooriad piisavalt täpsed, et ennustada suhteliselt paksude komposiitmaterjalide käitumist ja analüüsida mitmest väga erinevate elastsusomadustega materjalist koosnevaid komposiite.
Kuna need analüütilised mudelid sõltuvad rakendatud koormustest ja piirtingimustest, keskendume siin aukseetilise südamikuga sandwich-paneelide paindekäitumisele. Selliste analüüside jaoks kasutatav samaväärne ühekihiline teooria ei suuda õigesti ennustada nihke- ja aksiaalseid pingeid väga ebahomogeensetes laminaatides mõõduka paksusega kihtkomposiitmaterjalides. Veelgi enam, mõnes teoorias (näiteks kihilises teoorias) sõltub kinemaatiliste muutujate arv (näiteks nihe, kiirus jne) tugevalt kihtide arvust. See tähendab, et iga kihi liikumisvälja saab kirjeldada iseseisvalt, rahuldades samal ajal teatud füüsilise järjepidevuse piiranguid. Seetõttu tuleb mudelis arvesse võtta paljusid muutujaid, mis muudab selle lähenemisviisi arvutuslikult kulukaks. Nende piirangute ületamiseks pakume välja lähenemisviisi, mis põhineb siksakiteoorial, mis on mitmetasandilise teooria spetsiifiline alamklass. Teooria tagab nihkepinge järjepidevuse kogu laminaadi paksuse ulatuses, eeldades tasapinnaliste nihkete siksakmustrit. Seega annab siksakiteooria sama arvu kinemaatilisi muutujaid sõltumata laminaadi kihtide arvust.
Et demonstreerida meie meetodi võimsust nõgusate südamikega sandwich-paneelide käitumise ennustamisel paindekoormuste korral, võrdlesime oma tulemusi klassikaliste teooriatega (st meie lähenemine arvutusmudelitele (st lõplikud elemendid) ja eksperimentaalsete andmetega (st kolmepunktiline painutus). 3D-prinditud sandwich-paneelid).Selleks tuletasime esmalt siksakiteooria põhjal nihkesuhe, seejärel saime Hamiltoni printsiipi kasutades konstitutiivsed võrrandid ja lahendasime need Galerkini meetodi abil. Saadud tulemused on võimas tööriist vastavate projekteerimiseks. aukseetiliste täiteainetega sandwich-paneelide geomeetrilised parameetrid, mis hõlbustavad täiustatud mehaaniliste omadustega konstruktsioonide otsimist.
Mõelge kolmekihilisele sandwich-paneelile (joonis 1). Geomeetrilised disainiparameetrid: ülemise kihi \({h}_{t}\), keskmise kihi \({h}_{c}\) ja alumise kihi \({h}_{ b }\) paksus. Hüpoteesime, et struktuurne tuum koosneb aukudega võrestruktuurist. Struktuur koosneb järjestatult üksteise kõrvale paigutatud elementaarrakkudest. Nõgusa struktuuri geomeetrilisi parameetreid muutes on võimalik muuta selle mehaanilisi omadusi (st Poissoni suhte ja elastse jäikuse väärtusi). Elementaarraku geomeetrilised parameetrid on näidatud joonistel fig. 1, sealhulgas nurk (θ), pikkus (h), kõrgus (L) ja samba paksus (t).
Siksak-teooria annab väga täpsed prognoosid mõõduka paksusega kihiliste komposiitstruktuuride pinge- ja deformatsioonikäitumise kohta. Struktuurne nihe koosneb siksakiteoorias kahest osast. Esimene osa näitab sandwich-paneeli käitumist tervikuna, teine osa aga kihtidevahelist käitumist, et tagada nihkepinge pidevus (ehk nn siksakfunktsioon). Lisaks kaob siksakiline element laminaadi välispinnalt, mitte selle kihi sisse. Seega tagab siksakfunktsioon, et iga kiht aitab kaasa kogu ristlõike deformatsioonile. See oluline erinevus tagab siksakfunktsiooni realistlikuma füüsilise jaotuse võrreldes teiste siksakfunktsioonidega. Praegune modifitseeritud siksak-mudel ei taga ristsuunalist nihkepinge pidevust piki vahekihti. Seetõttu saab siksakiteoorial põhineva nihkevälja kirjutada järgmiselt31.
võrrandis. (1), k=b, c ja t tähistavad vastavalt alumist, keskmist ja ülemist kihti. Keskmise tasandi nihkeväli piki Descartes'i telge (x, y, z) on (u, v, w) ja painde pöörlemine tasapinnal ümber (x, y) telje on \({\uptheta} _ {x}\) ja \ ({\uptheta}_{y}\). \({\psi}_{x}\) ja \({\psi}_{y}\) on siksakilise pöörlemise ruumilised suurused ja \({\phi}_{x}^{k}\ vasakule ( z \right)\) ja \({\phi}_{y}^{k}\left(z\right)\) on siksakilised funktsioonid.
Siksaki amplituud on vektorfunktsioon plaadi tegelikust reaktsioonist rakendatud koormusele. Need tagavad siksakifunktsiooni sobiva skaleerimise, kontrollides seeläbi siksaki üldist panust tasapinna nihkesse. Plaadi paksuse nihkepinge koosneb kahest komponendist. Esimene osa on nihkenurk, mis on ühtlane kogu laminaadi paksuse ulatuses, ja teine osa on tükkhaaval konstantne funktsioon, mis on ühtlane iga üksiku kihi paksuse ulatuses. Nende tükkhaaval konstantsete funktsioonide järgi saab iga kihi siksakfunktsiooni kirjutada järgmiselt:
võrrandis. (2), \({c}_{11}^{k}\) ja \({c}_{22}^{k}\) on iga kihi elastsuskonstandid ja h on kihi kogupaksus plaat. Lisaks on \({G}_{x}\) ja \({G}_{y}\) kaalutud keskmised nihkejäikuse koefitsiendid, mida väljendatakse kui 31:
Esimest järku nihkedeformatsiooniteooria kaks siksakilise amplituudi funktsiooni (võrrand (3)) ja ülejäänud viis kinemaatilist muutujat (võrrand (2)) moodustavad seitsme kinemaatika komplekti, mis on seotud selle modifitseeritud siksakilise plaadi teooria muutujaga. Eeldades deformatsiooni lineaarset sõltuvust ja võttes arvesse siksakiteooriat, saab Descartes'i koordinaatsüsteemis deformatsioonivälja saada järgmiselt:
kus \({\varepsilon}_{yy}\) ja \({\varepsilon}_{xx}\) on normaalsed deformatsioonid ja \({\gamma}_{yz},{\gamma}_{xz} \ ) ja \({\gamma}_{xy}\) on nihkedeformatsioonid.
Kasutades Hooke'i seadust ja võttes arvesse siksakiteooriat, saab võrrandist (1) saada seose nõgusa võrestruktuuriga ortotroopse plaadi pinge ja deformatsiooni vahel. (5)32 kus \({c}_{ij}\) on pinge-deformatsiooni maatriksi elastsuskonstant.
kus \({G}_{ij}^{k}\), \({E}_{ij}^{k}\) ja \({v}_{ij}^{k}\) on lõigatud jõud on moodul eri suundades, Youngi moodul ja Poissoni suhe. Need koefitsiendid on isotoopkihi jaoks kõigis suundades võrdsed. Lisaks saab võre tagasipöörduvate tuumade puhul, nagu on näidatud joonisel 1, need omadused ümber kirjutada kui 33.
Hamiltoni põhimõtte rakendamine nõgusa võresüdamikuga mitmekihilise plaadi liikumisvõrranditele annab konstruktsiooni põhivõrrandid. Hamiltoni põhimõtte võib kirjutada järgmiselt:
Nende hulgas tähistab δ variatsioonioperaatorit, U tähistab potentsiaalset deformatsioonienergiat ja W välisjõu poolt tehtud tööd. Kogu potentsiaalne deformatsioonienergia saadakse võrrandi abil. (9), kus A on kesktasandi piirkond.
Eeldades koormuse (p) ühtlast rakendamist z-suunas, saab välisjõu töö saada järgmisest valemist:
Võrrandi asendamine võrrandid (4) ja (5) (9) ja võrrand asendada. (9) ja (10) (8) ning integreerides üle plaadi paksuse, saab võrrandi (8) ümber kirjutada järgmiselt:
Indeks \(\phi\) tähistab siksakfunktsiooni, \({N}_{ij}\) ja \({Q}_{iz}\) on jõud tasapinnale sisse ja välja, \({M} _{ij }\) tähistab paindemomenti ja arvutusvalem on järgmine:
Osade kaupa integreerimise rakendamine võrrandile. Asendades valemiga (12) ja arvutades variatsioonikoefitsiendi, saab sandwich-paneeli defineeriva võrrandi saada valemi (12) kujul. (13).
Vabalt toetatud kolmekihiliste plaatide diferentsiaaljuhtimisvõrrandid lahendatakse Galerkini meetodil. Kvaasistaatiliste tingimuste eeldusel loetakse tundmatut funktsiooni võrrandiks: (14).
\({u}_{m,n}\), \({v}_{m,n}\), \({w}_{m,n}\),\({{\uptheta}_ {\mathrm {x}}}_{\mathrm {m} \text{,n}}\),\({{\uptheta }_{\mathrm {y}}}_{\mathrm {m} \text {,n}}\), \({{\uppsi}_{\mathrm{x}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) ja \({{\uppsi}_{ \mathrm{y}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) on tundmatud konstandid, mida saab vea minimeerides. \(\overline{\overline{u}} \left({x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{v}} \left({x{\text {,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{w}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline {{{\uptheta}_{x}}}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{{{\uptheta}_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{{\psi_{x}}}} \left( {x{\text{, y}}} \right)\) ja \(\overline{\overline{{ \psi_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\) on testfunktsioonid, mis peavad vastama minimaalsetele vajalikele piirtingimustele. Lihtsalt toetatud piirtingimuste korral saab testfunktsiooni ümber arvutada järgmiselt:
Võrrandite asendamine annab algebralised võrrandid. (14) valitsevatele võrranditele, mis võib viia võrrandi (14) tundmatute koefitsientide saamiseni. (14).
Kasutame lõplike elementide modelleerimist (FEM), et simuleerida arvuti abil vabalt toestatud sandwich-paneeli paindumist, mille südamikuks on nõgus võre struktuur. Analüüs viidi läbi kaubanduslikus lõplike elementide koodis (näiteks Abaqusi versioon 6.12.1). Ülemise ja alumise kihi modelleerimiseks kasutati lihtsustatud integratsiooniga 3D heksaeedrilisi tahkeid elemente (C3D8R) ning vahepealse (nõgusa) võrestruktuuri modelleerimiseks lineaarseid tetraeedrilisi elemente (C3D4). Tegime võrgusilma tundlikkuse analüüsi, et testida võrgu konvergentsi ja jõudsime järeldusele, et nihke tulemused lähenesid kolme kihi väikseima tunnuse suuruse juures. Sandwich-plaadi laadimine toimub sinusoidse koormusfunktsiooni abil, võttes arvesse vabalt toestatud piirtingimusi neljas servas. Lineaarset elastset mehaanilist käitumist peetakse materjali mudeliks, mis on määratud kõikidele kihtidele. Kihtide vahel puudub spetsiifiline kontakt, need on omavahel seotud.
Kasutasime oma prototüübi (st kolmekordse prinditud aukseetilise südamikuga sandwich-paneeli) ja vastava kohandatud eksperimentaalse seadistuse loomiseks 3D-printimistehnikaid, et rakendada sarnaseid painutustingimusi (ühtlane koormus p piki z-suunda) ja piirtingimusi (st lihtsalt toetatud). eeldatakse meie analüütilises lähenemisviisis (joonis 1).
3D-printerile prinditud sandwich-paneel koosneb kahest kestast (ülemisest ja alumisest) ja nõgusast võresüdamikust, mille mõõtmed on toodud tabelis 1, ning see on valmistatud Ultimaker 3 3D-printeril (Itaalia) sadestamise meetodil ( FDM). selle protsessis kasutatakse tehnoloogiat. 3D-printisime alusplaadi ja peamise aukseetilise võrestruktuuri koos ning pealmise kihi eraldi. See aitab vältida tüsistusi toe eemaldamise protsessis, kui kogu kujundus tuleb korraga printida. Pärast 3D-printimist liimitakse kaks eraldi osa superliimi abil kokku. Trükkisime need komponendid polüpiimhappega (PLA) kõrgeima täitetihedusega (st 100%), et vältida lokaalseid printimisdefekte.
Kohandatud kinnitussüsteem jäljendab samu lihtsaid tugipiirtingimusi, mis on kasutusele võetud meie analüütilises mudelis. See tähendab, et haardesüsteem takistab plaadi liikumist piki selle servi x ja y suunas, võimaldades neil servadel vabalt ümber x- ja y-telgede pöörata. Selleks võetakse haardesüsteemi neljas servas arvesse fileed raadiusega r = h/2 (joonis 2). See kinnitussüsteem tagab ka selle, et rakendatud koormus kandub täielikult katseseadmelt paneelile ja on joondatud paneeli keskjoonega (joonis 2). Haardesüsteemi printimiseks kasutasime multi-jet 3D-printimise tehnoloogiat (ObjetJ735 Connex3, Stratasys® Ltd., USA) ja jäikaid kaubanduslikke vaiku (nt Vero seeria).
3D-prinditud kohandatud haardesüsteemi skemaatiline diagramm ja selle kokkupanek koos aukseetilise südamikuga 3D-prinditud sandwich-paneeliga.
Teostame liikumisega juhitud kvaasistaatilisi surveteste, kasutades mehaanilist katsestendi (Lloyd LR, koormusandur = 100 N) ning kogume masina jõude ja nihkeid diskreetimissagedusega 20 Hz.
Selles jaotises esitatakse kavandatud sandwich-struktuuri numbriline uuring. Eeldame, et ülemine ja alumine kiht on valmistatud süsinikepoksüvaigust ning nõgusa südamiku sõrestruktuur on valmistatud polümeerist. Selles uuringus kasutatud materjalide mehaanilised omadused on toodud tabelis 2. Lisaks on nihketulemuste ja pingeväljade dimensioonideta suhted toodud tabelis 3.
Võrreldi ühtlaselt koormatud vabalt toestatud plaadi maksimaalset vertikaalset mõõtmeteta nihet erinevate meetoditega saadud tulemustega (tabel 4). Pakutud teooria, lõplike elementide meetodi ja eksperimentaalsete kontrollide vahel on hea kokkulepe.
Võrdlesime modifitseeritud siksakiteooria (RZT) vertikaalset nihet 3D elastsuse teooriaga (Pagano), esimest järku nihkedeformatsiooni teooriaga (FSDT) ja FEM tulemustega (vt joonis 3). Esimese järgu nihketeooria, mis põhineb paksude mitmekihiliste plaatide nihkeskeemidel, erineb elastsest lahendusest kõige rohkem. Modifitseeritud siksakiteooria ennustab aga väga täpseid tulemusi. Lisaks võrdlesime ka erinevate teooriate tasapinnavälist nihkepinget ja tasapinnalist normaalpinget, mille hulgas sai siksakiteooria täpsemad tulemused kui FSDT (joonis 4).
Erinevate teooriate abil arvutatud normaliseeritud vertikaalse deformatsiooni võrdlus y = b/2 juures.
Nihkepinge (a) ja normaalpinge (b) muutus kihilise paneeli paksuse ulatuses, arvutatuna erinevate teooriate abil.
Järgmisena analüüsisime nõgusa südamikuga elemendi geomeetriliste parameetrite mõju sandwich-paneeli üldistele mehaanilistele omadustele. Ühiku raku nurk on reentrant võrestruktuuride kujundamisel kõige olulisem geomeetriline parameeter 34, 35, 36. Seetõttu arvutasime välja rakuühiku nurga ja ka südamikust väljapoole jääva paksuse mõju plaadi kogupaindele (joonis 5). Vahekihi paksuse kasvades väheneb maksimaalne mõõtmeteta läbipaine. Suhteline paindetugevus suureneb paksemate südamikukihtide korral ja kui \(\frac{{h}_{c}}{h}=1\) (st kui on üks nõgus kiht). Aukseetilise elementelemendiga (st \(\theta =70^\circ\)) sandwich-paneelidel on väikseimad nihked (joonis 5). See näitab, et aukseetilise südamiku paindetugevus on suurem kui tavalise aukseetilise südamiku oma, kuid see on vähem efektiivne ja sellel on positiivne Poissoni suhe.
Erinevate ühikunurkade ja tasapinnavälise paksusega nõgusa võrevarda normaliseeritud maksimaalne läbipaine.
Aukseetilise resti südamiku paksus ja kuvasuhe (st \(\theta=70^\circ\)) mõjutavad kihilise plaadi maksimaalset nihet (joonis 6). On näha, et plaadi maksimaalne läbipaine h/l suurenedes suureneb. Lisaks vähendab aukseetilise südamiku paksuse suurendamine nõgusa struktuuri poorsust, suurendades seeläbi konstruktsiooni paindetugevust.
Sandwich-paneelide maksimaalne läbipaine, mis on põhjustatud erineva paksuse ja pikkusega aukseetilise südamikuga võrekonstruktsioonidest.
Pingeväljade uurimine on huvitav valdkond, mida saab uurida ühikelemendi geomeetriliste parameetrite muutmisega, et uurida mitmekihiliste struktuuride rikkerežiime (nt delaminatsiooni). Poissoni suhtarvul on suurem mõju tasapinnaväliste nihkepingete väljale kui normaalpingel (vt joonis 7). Lisaks on see efekt erinevates suundades ebahomogeenne nende restide materjali ortotroopsete omaduste tõttu. Teised geomeetrilised parameetrid, nagu nõgusate struktuuride paksus, kõrgus ja pikkus, avaldasid pingeväljale vähe mõju, mistõttu neid selles uuringus ei analüüsitud.
Nihkepinge komponentide muutus sandwich-paneeli erinevates kihtides erineva nõgususnurgaga võretäitega.
Siin uuritakse nõgusa võresüdamikuga vabalt toestatud mitmekihilise plaadi paindetugevust siksakiteooria abil. Kavandatavat formulatsiooni võrreldakse teiste klassikaliste teooriatega, sealhulgas kolmemõõtmelise elastsuse teooria, esimese järgu nihkedeformatsiooni teooria ja FEM. Samuti kinnitame oma meetodi, võrreldes oma tulemusi 3D-prinditud sandwich-struktuuride katsetulemustega. Meie tulemused näitavad, et siksakiteooria suudab ennustada mõõduka paksusega sandwich-struktuuride deformeerumist paindekoormuste mõjul. Lisaks analüüsiti nõgusa võrestruktuuri geomeetriliste parameetrite mõju sandwich-paneelide paindekäitumisele. Tulemused näitavad, et kui aukseetiline tase tõuseb (st θ <90), suureneb paindetugevus. Lisaks vähendab kuvasuhte suurendamine ja südamiku paksuse vähendamine sandwich-paneeli paindetugevust. Lõpuks uuritakse Poissoni suhte mõju tasapinnalisele nihkepingele ja kinnitatakse, et Poissoni suhtarvul on suurim mõju lamineeritud plaadi paksusest tekitatavale nihkepingele. Pakutud valemid ja järeldused võivad avada tee nõgusate võretäitematerjalidega mitmekihiliste konstruktsioonide projekteerimisele ja optimeerimisele keerukamates koormustingimustes, mis on vajalikud kandekonstruktsioonide projekteerimiseks kosmose- ja biomeditsiinitehnoloogias.
Käesolevas uuringus kasutatud ja/või analüüsitud andmekogumid on mõistliku taotluse korral kättesaadavad vastavatelt autoritelt.
Aktai L., Johnson AF ja Kreplin B. Kh. Kärgstruktuuri südamike hävimisomaduste arvuline simulatsioon. insener. fraktal. karusnahk. 75(9), 2616–2630 (2008).
Gibson LJ ja Ashby MF Porous Solids: Structure and Properties (Cambridge University Press, 1999).
Postitusaeg: august 12-2023