25615

بررسي ميزان جذب انرژي در ساندويچ پنل هاي كامپوزيتي با هسته داراي ساختار سلولي خرپايي مشبّك

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1397-1400

1400/08/30

دكتر فتح الله طاهري بهروز

مهندسي مكانيك

مفهوم نوظهور ابرمواد مكانيكي طي چندين سال اخير به‌دليل پيشرفت‌هاي صورت‌گرفته در تكنيك‌هاي ساخت افزايشي كه منجر به ساخت موادي با ساختارهاي دلخواه و پيچيده در ابعاد ميكرو و نانو شده، توجهات بسياري را به خود جلب كرده است. ساختار طراحي‌شده در ابعاد ميكرو يا نانو براي ابرمواد مكانيكي باعث ايجاد خواص مكانيكي نادر يا بي‌سابقه‌اي شده است كه مي‌توان از آن‌ها براي خلق مواد پيشرفته با عملكردهاي تازه استفاده كرد. پايه و اساس طراحي بسياري از ابرمواد مكانيكي ساختارهاي سلولي هستند كه از تكرار يك سلول واحد با طراحي خاص تشكيل شده‌اند. هسته‌هاي سبك‌وزن و داراي ساختار معماري‌شده به‌عنوان يك جايگزين پيشرفته براي بهبود عملكرد كلي سازه‌هاي ساندويچي معرفي شده‌اند. تحقيقات پيشين در اين زمينه نشان داده است كه با استفاده از يك ساختار سلولي مناسب براي هسته مي‌توان عملكرد ضربه‌پذيري و جذب انرژي اين سازه‌ها را بهبود بخشيد. در اين تحقيق با استفاده از يك ساختار سلولي مناسب و پركاربرد عملكرد جذب انرژي در ضربه با سرعت كم سازه ساندويچي، تحمل فشار و فشار پس از ضربه با سرعت كم در دو حالت ساختار يكنواخت و داراي گراديان چگالي در راستاي ضخامت هسته بررسي و با استفاده از تحليل المان محدود و آزمايش آزمايشگاهي عملكرد آن‌ها با يكديگر مقايسه شده است. اين آزمايش‌ها روي هسته ساخته شده از جنس فوم نيز تكرار شد تا عملكرد ساختارهاي سلولي با هسته فوم مقايسه شود. نتايج آزمايش ضربه نشان داد با تغيير در نحوه توزيع چگالي در هر لايه از هسته و ايجاد گراديان چگالي مي‌توان جذب انرژي ساختار خرپايي شبكه را بهبود داد. ساختار داراي گراديان چگالي اجازه پيشروي بيشتر در عمق هسته را به ضربه زننده مي‌داد كه باعث تغييرشكل‌هاي پلاستيك بيشتر و در نتيجه آن جذب انرژي بيشتر مي‌شود. هم‌چنين مشخص شد هر دو ساختار توانايي جذب 90 درصد به بالا از انرژي ضربه وارد شده به خود را دارند. ساختار با چگالي يكنواخت توانايي تحمل بارهاي ضربه‌اي بزرگتري را داشت كه نشان‌دهنده استحكام بالاتر آن نسبت به ساختار داراي گراديان چگالي است. از نظر توانايي تحمل بار فشاري پس از اعمال ضربه، ساختار با چگالي يكنواخت تحمل بار بزرگتري دارد. در واقع توانايي تحمل بار فشاري در اين نوع ساختار براي نمونه سالم و آسيب ديده تقريبا برابر بود. نهايتا مشخص شد كه چارچوب ايجاد شده براي تحليل المان محدود توانايي پيش‌بيني رفتار كلي ساختارها تحت بار ضربه و تميز دادن تفاوت‌هاي بين ساختار داراي گراديان چگالي و ساختار با چگالي يكنواخت را دارد.

1400/09/12

Experimental and Numerical Evaluation of Energy Absorption in Composite Sandwich Panels with Cores Made of Cellular Lattice Truss StructureS

11/21/2022 12:00:00 AM

The emerging concept of mechanical meta-materials has attracted much attention in recent years due to advances in additive manufacturing techniques that have led to the fabrication of materials with arbitrary and complex structures in micro and nano dimensions. The micro- or nano-designed structure for mechanical meta-materials has created rare or unprecedented mechanical properties that can be used to create advanced materials with new functions. The basis of the design of many mechanical meta-materials are cellular structures that consist of the repetition of a unit cell with a specific design. Lightweight, architectural structured cores have been introduced as an advanced alternative to improve the overall performance of sandwich structures. Previous research in this field has shown that using a suitable cellular structure for the core can improve the impact performance and energy absorption of these structures. In this research, using a suitable and widely used cellular structure, the energy absorption performance at low velocity impact, pressure tolerance and pressure after impact in two modes of uniform structure and density gradient in the direction of core thickness of sandwich structures are investigated. Finite element analysis and experimental tests have been performed. These tests were also repeated on cores made of foam to compare the performance of cellular structures with foam cores. Impact test results showed that by changing the density distribution in each layer of the core and creating a density gradient structure, the energy absorption of the lattice truss structures can be improved. Also, the structure with uniform density in all layers was more suitable in terms of stiffness. But the density gradient structure allowed the impactor to advance deeper into the core, causing more plastic deformation, resulting in more energy absorption. It was also found that both core configurations have the ability to absorb 90% or more of the impact energy. The core with uniform density was able to withstand larger impact loads, which indicates its higher strength than the core with density gradient. In terms of the ability to withstand compressive loads after impact, the structure with uniform density can withstand larger loads. In fact, the ability to withstand the compressive load in this type of structure was almost equal for intact and damaged sample. Finally, it was found that the framework developed for finite element analysis has the ability to predict the overall behavior of structures under impact load and to distinguish the differences between the core with density gradient and the core with uniform density.

ساخت افزايشي , ساختار خرپايي مشبّك , ساندويچ پنل كامپوزيتي , ضربه سرعت پايين , فشار بعد از ضربه

Additive manufacturing , Lattice Truss Structure , Composite Sandwich Panel , Low Velocity Impact , Pressure After Impact