Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Sendvičpaneļu konstrukcijas to augsto mehānisko īpašību dēļ tiek plaši izmantotas daudzās nozarēs. Šo konstrukciju starpslānis ir ļoti svarīgs faktors to mehānisko īpašību kontrolē un uzlabošanā dažādos slodzes apstākļos. Ieliektas režģa struktūras ir izcilas kandidātes izmantošanai kā starpslāņi šādās sviestmaižu konstrukcijās vairāku iemeslu dēļ, proti, lai pielāgotu to elastību (piemēram, Puasona koeficientu un elastīgās stingrības vērtības) un elastību (piemēram, augstu elastību) vienkāršības labad. Stiprības un svara attiecības īpašības tiek sasniegtas, pielāgojot tikai ģeometriskos elementus, kas veido vienības šūnu. Šeit mēs pētām 3 slāņu ieliekta kodola sendvičpaneļa lieces reakciju, izmantojot analītiskos (ti, zigzaga teoriju), skaitļošanas (ti, galīgo elementu) un eksperimentālos testus. Mēs arī analizējām dažādu ieliektas režģa struktūras ģeometrisko parametru (piemēram, leņķa, biezuma, vienības šūnas garuma un augstuma attiecības) ietekmi uz sviestmaižu struktūras kopējo mehānisko uzvedību. Mēs esam noskaidrojuši, ka serdes konstrukcijām ar auksētisku uzvedību (ti, negatīvu Puasona koeficientu) ir lielāka lieces izturība un minimāls ārpusplaknes bīdes spriegums, salīdzinot ar parastajiem režģiem. Mūsu atklājumi var pavērt ceļu progresīvu inženiertehnisku daudzslāņu konstrukciju izstrādei ar arhitektūras kodola režģiem kosmosa un biomedicīnas lietojumiem.
Pateicoties lielajai izturībai un mazajam svaram, sviestmaižu konstrukcijas tiek plaši izmantotas daudzās nozarēs, tostarp mehānisko un sporta aprīkojuma projektēšanā, jūras, kosmosa un biomedicīnas inženierijā. Ieliektas režģa struktūras ir viens no potenciālajiem kandidātiem, kas tiek uzskatīti par pamata slāņiem šādās kompozītmateriālu konstrukcijās, pateicoties to labākajai enerģijas absorbcijas spējai un augstām stiprības un svara attiecības īpašībām1, 2, 3. Agrāk tika pieliktas lielas pūles, lai izstrādātu vieglas sviestmaižu konstrukcijas ar ieliektiem režģiem, lai vēl vairāk uzlabotu mehāniskās īpašības. Šādu konstrukciju piemēri ietver augsta spiediena slodzes kuģu korpusos un amortizatorus automašīnās4,5. Ieliektā režģa struktūra ir ļoti populāra, unikāla un piemērota sendvičpaneļu konstrukcijai, tāpēc tās spēja patstāvīgi noregulēt tās elastomehāniskās īpašības (piemēram, elastīgo stingrību un Puasona salīdzinājumu). Viena no šādām interesantām īpašībām ir auksētiskā uzvedība (vai negatīva Puasona attiecība), kas attiecas uz režģa struktūras sānu izplešanos, kad tā ir izstiepta gareniski. Šī neparastā uzvedība ir saistīta ar to veidojošo elementāro šūnu mikrostrukturālo dizainu 7, 8, 9.
Kopš Leiksa sākotnējiem pētījumiem auksētisko putu ražošanā ir pieliktas ievērojamas pūles, lai izstrādātu porainas struktūras ar negatīvu Puasona koeficientu10,11. Lai sasniegtu šo mērķi, ir ierosinātas vairākas ģeometrijas, piemēram, hirālas, puscietas un cietas rotējošas vienības šūnas, kurām visām piemīt auksētiska uzvedība. Piedevu ražošanas (AM, pazīstama arī kā 3D drukāšana) tehnoloģiju parādīšanās arī ir veicinājusi šo 2D vai 3D auksētisko struktūru ieviešanu13.
Auksētiskā uzvedība nodrošina unikālas mehāniskās īpašības. Piemēram, Lakes un Elms14 ir parādījuši, ka auksētiskajām putām ir augstāka tecēšanas robeža, lielāka trieciena enerģijas absorbcijas spēja un zemāka stingrība nekā parastajām putām. Attiecībā uz auksētisko putu dinamiskajām mehāniskajām īpašībām tām ir lielāka pretestība pie dinamiskām pārrāvuma slodzēm un lielāka pagarināšanās tīrā spriegumā15. Turklāt auksētisko šķiedru kā pastiprinošu materiālu izmantošana kompozītmateriālos uzlabos to mehāniskās īpašības16 un izturību pret bojājumiem, ko izraisa šķiedras stiepšanās17.
Pētījumi arī ir parādījuši, ka ieliektu auksētisku struktūru izmantošana kā izliektu kompozītmateriālu konstrukciju kodolu var uzlabot to veiktspēju ārpus plaknes, tostarp lieces stingrību un izturību18. Izmantojot slāņu modeli, ir arī novērots, ka auksētiskais kodols var palielināt kompozītmateriālu paneļu lūzuma izturību19. Kompozītmateriāli ar auksētiskām šķiedrām arī novērš plaisu izplatīšanos salīdzinājumā ar parastajām šķiedrām20.
Zhang et al.21 modelēja atgriežas šūnu struktūru dinamisko sadursmes uzvedību. Viņi atklāja, ka sprieguma un enerģijas absorbciju var uzlabot, palielinot auksētiskās vienības šūnas leņķi, kā rezultātā veidojas režģis ar negatīvāku Puasona koeficientu. Viņi arī ierosināja, ka šādus auksētiskus sendvičpaneļus varētu izmantot kā aizsargkonstrukcijas pret lielas deformācijas ātruma triecienslodzēm. Imbalzano et al.22 arī ziņoja, ka auksētiskās kompozītmateriālu loksnes var izkliedēt vairāk enerģijas (ti, divreiz vairāk) plastiskās deformācijas rezultātā un var samazināt maksimālo ātrumu pretējā pusē par 70%, salīdzinot ar viena slāņa loksnēm.
Pēdējos gados liela uzmanība tiek pievērsta sviestmaižu konstrukciju ar auksētisko pildvielu skaitliskiem un eksperimentāliem pētījumiem. Šie pētījumi izceļ veidus, kā uzlabot šo sviestmaižu struktūru mehāniskās īpašības. Piemēram, uzskatot pietiekami biezu auksētisko slāni par sendvičpaneļa serdi, var iegūt augstāku efektīvo Younga moduli nekā stingrākais slānis23. Turklāt, izmantojot optimizācijas algoritmu, var uzlabot laminēto siju 24 vai auksētiskā serdeņa cauruļu 25 lieces īpašības. Ir arī citi pētījumi par paplašināmu serdes sviestmaižu konstrukciju mehānisko testēšanu sarežģītākā slodzē. Piemēram, betona kompozītmateriālu ar auksētiskajiem pildvielām, sendvičpaneļu sprādzienbīstamām slodzēm27, lieces testiem28 un zema ātruma trieciena testiem29, kā arī sendvičpaneļu nelineāras lieces analīze ar funkcionāli diferencētiem auksētiskajiem pildvielām30.
Tā kā šādu konstrukciju datorsimulācijas un eksperimentālie novērtējumi bieži vien ir laikietilpīgi un dārgi, ir jāizstrādā teorētiskas metodes, kas var efektīvi un precīzi sniegt informāciju, kas nepieciešama, lai izstrādātu daudzslāņu auksētiskās serdes konstrukcijas patvaļīgās slodzes apstākļos. saprātīgs laiks. Tomēr mūsdienu analītiskajām metodēm ir vairāki ierobežojumi. Jo īpaši šīs teorijas nav pietiekami precīzas, lai prognozētu salīdzinoši biezu kompozītmateriālu uzvedību un analizētu kompozītmateriālus, kas sastāv no vairākiem materiāliem ar ļoti atšķirīgām elastības īpašībām.
Tā kā šie analītiskie modeļi ir atkarīgi no pielietotajām slodzēm un robežnosacījumiem, šeit mēs koncentrēsimies uz auksētiskā kodola sendvičpaneļu lieces izturēšanos. Šādām analīzēm izmantotā līdzvērtīgā viena slāņa teorija nevar pareizi paredzēt bīdes un aksiālos spriegumus ļoti neviendabīgos laminātos vidēja biezuma sviestmaižu kompozītmateriālos. Turklāt dažās teorijās (piemēram, slāņu teorijā) kinemātisko mainīgo skaits (piemēram, pārvietojums, ātrums utt.) ir ļoti atkarīgs no slāņu skaita. Tas nozīmē, ka katra slāņa kustības lauku var aprakstīt neatkarīgi, vienlaikus izpildot noteiktus fiziskās nepārtrauktības ierobežojumus. Tāpēc modelī tiek ņemts vērā liels skaits mainīgo, kas padara šo pieeju skaitļošanas ziņā dārgu. Lai pārvarētu šos ierobežojumus, mēs piedāvājam pieeju, kuras pamatā ir zigzaga teorija, kas ir īpaša daudzlīmeņu teorijas apakšklase. Teorija nodrošina bīdes sprieguma nepārtrauktību visā lamināta biezumā, pieņemot, ka plaknē pārvietojas zigzaga modelis. Tādējādi zigzaga teorija dod tādu pašu kinemātisko mainīgo skaitu neatkarīgi no slāņu skaita laminātā.
Lai parādītu mūsu metodes jaudu, prognozējot sendvičpaneļu ar ieliektiem serdeņiem uzvedību lieces slodžu ietekmē, mēs salīdzinājām savus rezultātus ar klasiskajām teorijām (ti, mūsu pieeju ar skaitļošanas modeļiem (ti, galīgiem elementiem) un eksperimentālajiem datiem (ti, trīspunktu liekšanu). 3D drukāti sendvičpaneļi). Šim nolūkam mēs vispirms atvasinājām nobīdes attiecības, pamatojoties uz zigzaga teoriju, un pēc tam ieguvām konstitutīvos vienādojumus, izmantojot Hamiltona principu, un atrisinājām tos, izmantojot Galerkina metodi. Iegūtie rezultāti ir spēcīgs instruments atbilstošai projektēšanai. sendvičpaneļu ģeometriskie parametri ar auksētiskām pildvielām, atvieglojot konstrukciju meklēšanu ar uzlabotām mehāniskajām īpašībām.
Apsveriet trīs slāņu sendvičpaneli (1. att.). Ģeometriskā dizaina parametri: augšējā slāņa \({h}_{t}\), vidējā slāņa \({h}_{c}\) un apakšējā slāņa \({h}_{ b }\) biezums. Mēs izvirzām hipotēzi, ka strukturālo kodolu veido kauliņu režģa struktūra. Struktūra sastāv no elementārām šūnām, kas sakārtotas viena otrai blakus. Mainot ieliektas struktūras ģeometriskos parametrus, ir iespējams mainīt tās mehāniskās īpašības (ti, Puasona koeficienta un elastīgās stingrības vērtības). Elementārās šūnas ģeometriskie parametri ir parādīti zīm. 1, ieskaitot leņķi (θ), garumu (h), augstumu (L) un kolonnas biezumu (t).
Līkloču teorija sniedz ļoti precīzas prognozes par vidēja biezuma slāņveida kompozītmateriālu konstrukciju spriegumu un deformācijas uzvedību. Strukturālā nobīde zigzaga teorijā sastāv no divām daļām. Pirmajā daļā ir parādīta sendvičpaneļa darbība kopumā, bet otrajā daļā aplūkota uzvedība starp slāņiem, lai nodrošinātu bīdes sprieguma nepārtrauktību (jeb tā saukto zigzaga funkciju). Turklāt zigzaga elements pazūd uz lamināta ārējās virsmas, nevis šī slāņa iekšpusē. Tādējādi zigzaga funkcija nodrošina, ka katrs slānis veicina kopējo šķērsgriezuma deformāciju. Šī svarīgā atšķirība nodrošina reālistiskāku zigzaga funkcijas fizisko sadalījumu salīdzinājumā ar citām zigzaga funkcijām. Pašreizējais modificētais zigzaga modelis nenodrošina šķērsvirziena bīdes sprieguma nepārtrauktību gar starpslāni. Tāpēc nobīdes lauku, kas balstīts uz zigzaga teoriju, var uzrakstīt šādi31.
vienādojumā. (1), k=b, c un t apzīmē attiecīgi apakšējo, vidējo un augšējo slāni. Vidējās plaknes nobīdes lauks pa Dekarta asi (x, y, z) ir (u, v, w), un lieces rotācija plaknē ap (x, y) asi ir \({\uptheta} _ {x}\) un \ ({\uptheta}_{y}\). \({\psi}_{x}\) un \({\psi}_{y}\) ir zigzaga rotācijas telpiskie lielumi, un \({\phi}_{x}^{k}\ pa kreisi ( z \right)\) un \({\phi}_{y}^{k}\left(z\right)\) ir zigzaga funkcijas.
Zigzaga amplitūda ir vektora funkcija no plāksnes faktiskās reakcijas uz pielikto slodzi. Tie nodrošina atbilstošu zigzaga funkcijas mērogošanu, tādējādi kontrolējot kopējo zigzaga ieguldījumu nobīdē plaknē. Bīdes deformācija pāri plāksnes biezumam sastāv no divām sastāvdaļām. Pirmā daļa ir bīdes leņķis, kas ir vienāds visā lamināta biezumā, un otrā daļa ir pa daļām nemainīga funkcija, kas ir vienāda visā katra atsevišķā slāņa biezumā. Saskaņā ar šīm pa daļām nemainīgajām funkcijām katra slāņa zigzaga funkciju var uzrakstīt šādi:
vienādojumā. (2), \({c}_{11}^{k}\) un \({c}_{22}^{k}\) ir katra slāņa elastības konstantes, un h ir slāņa kopējais biezums. disku. Turklāt \({G}_{x}\) un \({G}_{y}\) ir vidējie svērtie bīdes stinguma koeficienti, kas izteikti kā 31:
Divas zigzaga amplitūdas funkcijas (vienādojums (3)) un atlikušie pieci kinemātiskie mainīgie (vienādojums (2)) pirmās kārtas bīdes deformācijas teorijā veido septiņu kinemātikas kopu, kas saistīta ar šo modificēto zigzaga plāksnes teorijas mainīgo. Pieņemot lineāru deformācijas atkarību un ņemot vērā zigzaga teoriju, deformācijas lauku Dekarta koordinātu sistēmā var iegūt šādi:
kur \({\varepsilon}_{yy}\) un \({\varepsilon}_{xx}\) ir normālas deformācijas un \({\gamma}_{yz},{\gamma}_{xz} \ ) un \({\gamma}_{xy}\) ir bīdes deformācijas.
Izmantojot Huka likumu un ņemot vērā zigzaga teoriju, sakarību starp spriegumu un deformāciju ortotropai plāksnei ar ieliektu režģa struktūru var iegūt no (1) vienādojuma. (5)32 kur \({c}_{ij}\) ir sprieguma-deformācijas matricas elastīgā konstante.
kur ir izgriezti \({G}_{ij}^{k}\), \({E}_{ij}^{k}\) un \({v}_{ij}^{k}\) spēks ir modulis dažādos virzienos, Janga modulis un Puasona attiecība. Šie koeficienti ir vienādi visos izotopu slāņa virzienos. Turklāt režģa atgriežošajiem kodoliem, kā parādīts 1. attēlā, šīs īpašības var pārrakstīt kā 33.
Hamiltona principa pielietojums daudzslāņu plāksnes ar ieliektu režģa serdi kustības vienādojumiem nodrošina konstrukcijas pamatvienādojumus. Hamiltona principu var uzrakstīt šādi:
Starp tiem δ apzīmē variācijas operatoru, U apzīmē deformācijas potenciālo enerģiju, un W apzīmē darbu, ko veic ārējais spēks. Kopējo potenciālo deformācijas enerģiju iegūst, izmantojot vienādojumu. (9), kur A ir vidusplaknes apgabals.
Pieņemot vienmērīgu slodzes (p) pielikšanu z virzienā, ārējā spēka darbu var iegūt no šādas formulas:
Vienādojuma aizstāšana vienādojums (4) un (5) (9) un vienādojums. (9) un (10) (8) un integrējot visā plāksnes biezumā, vienādojumu: (8) var pārrakstīt šādi:
Indekss \(\phi\) apzīmē zigzaga funkciju, \({N}_{ij}\) un \({Q}_{iz}\) ir spēki plaknē un ārpus tās, \({M} _{ij }\) apzīmē lieces momentu, un aprēķina formula ir šāda:
Integrācijas pa daļām piemērošana vienādojumam. Aizvietojot formulā (12) un aprēķinot variācijas koeficientu, sendvičpaneļa definējošo vienādojumu var iegūt formulas (12) veidā. (13).
Diferenciālās vadības vienādojumi brīvi atbalstītām trīsslāņu plāksnēm tiek atrisināti ar Galerkin metodi. Pieņemot kvazistatiskos nosacījumus, nezināmā funkcija tiek uzskatīta par vienādojumu: (14).
\({u}_{m,n}\), \({v}_{m,n}\), \({w}_{m,n}\),\({{\uptheta}_ {\mathrm {x}}}_{\mathrm {m} \text{,n}}\),\({{\uptheta }_{\mathrm {y}}}_{\mathrm {m} \text {,n}}\), \({{\uppsi}_{\mathrm{x}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) un \({{\uppsi}_{ \mathrm{y}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) ir nezināmas konstantes, kuras var iegūt, samazinot kļūdu. \(\overline{\overline{u}} \left({x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{v}} \left({x{\text {,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{w}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline {{{\uptheta}_{x}}}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{{{\uptheta}_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{{\psi_{x}}}} \left( {x{\text{, y}}} \right)\) un \(\overline{\overline{{ \psi_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\) ir pārbaudes funkcijas, kam jāatbilst minimālajiem nepieciešamajiem robežnosacījumiem. Tikai atbalstītiem robežnosacījumiem testa funkciju var pārrēķināt šādi:
Vienādojumu aizstāšana dod algebriskus vienādojumus. (14) uz vadošajiem vienādojumiem, kas var novest pie nezināmu koeficientu iegūšanas vienādojumā (14). (14).
Mēs izmantojam galīgo elementu modelēšanu (FEM), lai datorsimulētu brīvi atbalstīta sendvičpaneļa ar ieliektu režģa struktūru kā kodolu lieces. Analīze tika veikta komerciālā galīgo elementu kodā (piemēram, Abaqus versija 6.12.1). Augšējā un apakšējā slāņa modelēšanai tika izmantoti 3D heksaedriskie cietie elementi (C3D8R) ar vienkāršotu integrāciju, bet starpposma (ieliektā) režģa struktūras modelēšanai izmantoti lineāri tetraedriski elementi (C3D4). Mēs veicām acs jutīguma analīzi, lai pārbaudītu acs konverģenci, un secinājām, ka pārvietošanās rezultāti saplūda ar mazāko elementu izmēru starp trim slāņiem. Sviestmaižu plāksne tiek noslogota, izmantojot sinusoidālās slodzes funkciju, ņemot vērā brīvi atbalstītos robežnosacījumus četrās malās. Lineāri elastīgā mehāniskā uzvedība tiek uzskatīta par materiāla modeli, kas piešķirts visiem slāņiem. Starp slāņiem nav īpaša kontakta, tie ir savstarpēji saistīti.
Mēs izmantojām 3D drukāšanas paņēmienus, lai izveidotu savu prototipu (ti, trīskāršu drukātu auksētiskā kodola sendvičpaneli) un atbilstošu pielāgotu eksperimentālo iestatījumu, lai piemērotu līdzīgus lieces apstākļus (vienmērīga slodze p z virzienā) un robežnosacījumus (ti, tikko atbalstīts). pieņemts mūsu analītiskajā pieejā (1. att.).
Sviestmaižu panelis, kas izdrukāts uz 3D printera, sastāv no diviem apvalkiem (augšējā un apakšējā) un ieliekta režģa kodola, kura izmēri ir parādīti 1. tabulā, un tas tika ražots uz Ultimaker 3 3D printera (Itālija), izmantojot uzklāšanas metodi ( FDM). tās procesā tiek izmantota tehnoloģija. Mēs 3D izdrukājām pamatplāksni un galveno auksētiskā režģa struktūru kopā un izdrukājām augšējo slāni atsevišķi. Tas palīdz izvairīties no sarežģījumiem atbalsta noņemšanas procesā, ja viss dizains ir jādrukā uzreiz. Pēc 3D drukāšanas divas atsevišķas daļas tiek salīmētas kopā, izmantojot superlīmi. Mēs apdrukājām šos komponentus, izmantojot polipienskābi (PLA) ar visaugstāko uzpildes blīvumu (ti, 100%), lai novērstu jebkādus lokalizētus drukas defektus.
Pielāgotā iespīlēšanas sistēma atdarina tos pašus vienkāršos atbalsta robežnosacījumus, kas pieņemti mūsu analītiskajā modelī. Tas nozīmē, ka satveršanas sistēma neļauj dēlim kustēties gar tā malām x un y virzienā, ļaujot šīm malām brīvi griezties ap x un y asīm. To dara, ņemot vērā filejas ar rādiusu r = h/2 satveršanas sistēmas četrās malās (2. att.). Šī iespīlēšanas sistēma arī nodrošina, ka pieliktā slodze tiek pilnībā pārnesta no testēšanas iekārtas uz paneli un izlīdzināta ar paneļa viduslīniju (2. att.). Satveres sistēmas drukāšanai izmantojām vairāku strūklu 3D drukas tehnoloģiju (ObjetJ735 Connex3, Stratasys® Ltd., ASV) un cietos komerciālos sveķus (piemēram, Vero sēriju).
3D drukātas pielāgotas satveršanas sistēmas shematiska diagramma un tās montāža ar 3D drukātu sendvičpaneli ar auksētisku kodolu.
Mēs veicam ar kustību kontrolētus kvazistatiskos kompresijas testus, izmantojot mehānisko testēšanas stendu (Lloyd LR, slodzes devējs = 100 N) un savācam mašīnas spēkus un pārvietojumus ar paraugu ņemšanas frekvenci 20 Hz.
Šajā sadaļā ir sniegts piedāvātās sviestmaižu struktūras skaitlisks pētījums. Mēs pieņemam, ka augšējais un apakšējais slānis ir izgatavots no oglekļa epoksīda sveķiem, un ieliektā serdeņa režģa struktūra ir izgatavota no polimēra. Šajā pētījumā izmantoto materiālu mehāniskās īpašības ir parādītas 2. tabulā. Turklāt nobīdes rezultātu un sprieguma lauku bezdimensiju attiecības ir parādītas 3. tabulā.
Vienmērīgi noslogotas brīvi atbalstītas plāksnes maksimālais vertikālais bezizmēra pārvietojums tika salīdzināts ar rezultātiem, kas iegūti ar dažādām metodēm (4. tabula). Pastāv laba saskaņa starp piedāvāto teoriju, galīgo elementu metodi un eksperimentālajām pārbaudēm.
Mēs salīdzinājām modificētās zigzaga teorijas (RZT) vertikālo nobīdi ar 3D elastības teoriju (Pagano), pirmās kārtas bīdes deformācijas teoriju (FSDT) un FEM rezultātiem (sk. 3. att.). Pirmās kārtas bīdes teorija, kuras pamatā ir biezu daudzslāņu plākšņu nobīdes diagrammas, visvairāk atšķiras no elastīgā risinājuma. Tomēr modificētā zigzaga teorija paredz ļoti precīzus rezultātus. Turklāt mēs salīdzinājām arī dažādu teoriju ārpusplaknes bīdes spriegumu un plaknes normālo spriegumu, starp kuriem zigzaga teorija ieguva precīzākus rezultātus nekā FSDT (4. att.).
Normalizētas vertikālās deformācijas salīdzinājums, kas aprēķināts, izmantojot dažādas teorijas pie y = b/2.
Bīdes sprieguma (a) un normālā sprieguma (b) izmaiņas sendvičpaneļa biezumā, kas aprēķinātas, izmantojot dažādas teorijas.
Tālāk mēs analizējām vienības šūnas ar ieliektu serdi ģeometrisko parametru ietekmi uz sendvičpaneļa vispārējām mehāniskajām īpašībām. Vienības šūnas leņķis ir vissvarīgākais ģeometriskais parametrs reentrent režģu konstrukciju projektēšanā34,35,36. Tāpēc mēs aprēķinājām vienības šūnas leņķa, kā arī biezuma ārpus serdes ietekmi uz plāksnes kopējo novirzi (5. att.). Palielinoties starpslāņa biezumam, maksimālā bezizmēra novirze samazinās. Relatīvā lieces izturība palielinās biezākiem serdes slāņiem un tad, ja \(\frac{{h}_{c}}{h}=1\) (ti, ja ir viens ieliekts slānis). Sendvičpaneļiem ar auksētisku elementu (ti, \(\theta =70^\circ\)) ir vismazākie pārvietojumi (5. att.). Tas parāda, ka auksētiskā serdeņa lieces izturība ir augstāka nekā parastā auksētiskā serdeņa lieces izturība, taču tā ir mazāk efektīva un tai ir pozitīva Puasona attiecība.
Normalizēta ieliekta režģa stieņa maksimālā novirze ar dažādiem vienības šūnu leņķiem un ārpus plaknes biezumu.
Auksētiskā režģa serdes biezums un malu attiecība (ti, \(\theta=70^\circ\)) ietekmē sviestmaižu plāksnes maksimālo pārvietojumu (6. attēls). Redzams, ka, palielinoties h/l, palielinās plāksnes maksimālā izliece. Turklāt auksētiskās serdes biezuma palielināšana samazina ieliektās struktūras porainību, tādējādi palielinot konstrukcijas lieces izturību.
Sendvičpaneļu maksimālā novirze, ko rada režģa konstrukcijas ar dažāda biezuma un garuma auksētisko serdi.
Sprieguma lauku izpēte ir interesanta joma, ko var izpētīt, mainot vienības šūnas ģeometriskos parametrus, lai pētītu daudzslāņu struktūru bojājuma režīmus (piemēram, atslāņošanos). Puasona koeficientam ir lielāka ietekme uz ārpusplaknes bīdes spriegumu lauku nekā parastajam spriegumam (sk. 7. att.). Turklāt šis efekts ir neviendabīgs dažādos virzienos šo režģu materiāla ortotropo īpašību dēļ. Citiem ģeometriskiem parametriem, piemēram, ieliekto konstrukciju biezumam, augstumam un garumam, bija maza ietekme uz sprieguma lauku, tāpēc tie šajā pētījumā netika analizēti.
Bīdes sprieguma komponentu maiņa dažādos sendvičpaneļa slāņos ar režģa pildvielu ar dažādiem ieliekuma leņķiem.
Šeit tiek pētīta brīvi atbalstītas daudzslāņu plāksnes ar ieliektu režģa serdi lieces izturība, izmantojot zigzaga teoriju. Piedāvātais formulējums tiek salīdzināts ar citām klasiskajām teorijām, tostarp trīsdimensiju elastības teoriju, pirmās kārtas bīdes deformācijas teoriju un FEM. Mēs arī apstiprinām savu metodi, salīdzinot savus rezultātus ar eksperimentālajiem rezultātiem 3D drukātās sviestmaižu struktūrās. Mūsu rezultāti liecina, ka zigzaga teorija spēj prognozēt vidēja biezuma sendvičkonstrukciju deformāciju lieces slodžu ietekmē. Turklāt tika analizēta ieliektās režģa struktūras ģeometrisko parametru ietekme uz sendvičpaneļu lieces izturēšanos. Rezultāti liecina, ka, palielinoties auksētiskajam līmenim (ti, θ <90), lieces izturība palielinās. Turklāt, palielinot malu attiecību un samazinot serdes biezumu, samazināsies sendvičpaneļa lieces izturība. Visbeidzot, tiek pētīta Puasona koeficienta ietekme uz ārpusplaknes bīdes spriegumu, un tiek apstiprināts, ka Puasona koeficientam ir vislielākā ietekme uz bīdes spriegumu, ko rada laminētās plāksnes biezums. Piedāvātās formulas un secinājumi var pavērt ceļu daudzslāņu konstrukciju projektēšanai un optimizācijai ar ieliektām režģa pildvielām sarežģītākos slodzes apstākļos, kas nepieciešami nesošo konstrukciju projektēšanai aviācijas un biomedicīnas tehnoloģijās.
Šajā pētījumā izmantotās un/vai analizētās datu kopas ir pieejamas no attiecīgajiem autoriem pēc pamatota pieprasījuma.
Aktai L., Džonsons AF un Kreplins B. Kh. Šūnveida serdeņu iznīcināšanas raksturlielumu skaitliskā simulācija. inženieris. fraktālis. kažokādas. 75(9), 2616–2630 (2008).
Gibson LJ un Ashby MF Porous Solids: Structure and Properties (Cambridge University Press, 1999).
Publicēšanas laiks: 12. augusts 2023