تحلیل تجربی و عددی تأثیر چگالی هسته بر روی قابلیت جذب انرژی پانل‌های ساندویچی با رویه صفحات آلومینیومی و هسته فوم پلی‌یورتان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه جامع امام حسین (ع)

2 دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

3 دانشجوی دکتری دانشگاه گیلان

چکیده

پانل‌های ساندویچی با رویه فلزی و هسته فومی، به دلیل نسبت استحکام به وزن مناسب و جذب انرژی بالا، در صنایع مختلف هوافضا، دریایی، خودروسازی و غیره اهمیت  ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. در این مقاله، با تهیه فوم‌های پلی‌یورتان با چگالی‌های مختلف و ساخت پانل‌های ساندویچی از ورق‌های آلومینیومی و هسته فوم پلی‌یورتان، با استفاده از دستگاه لوله شاک انفجاری، تعدادی آزمایش‌های انفجاری تعریف شده و اثر چگالی فوم در مقدار جابجایی سطح پشتی ساختار ساندویچی و میزان جذب انرژی آن مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین با استفاده از نتایج آزمایش فشار انجام شده بر روی فوم‌های مختلف، شبیه‌سازی سازه ساندویچی تحت بار انفجاری به کمک نرم‌افزار اتوداین انجام شده است. بین نتایج تجربی و عددی تطابق خوبی وجود دارد. نتایج نشان می‌دهند که با افزایش چگالی فوم مقدار جابجایی سطح پشتی پانل ساندویچی کمتر می‌شود، ولیکن میزان جذب انرژی پانل نیز کاهش می‌یابد .همچنین با افزایش چگالی فوم علاوه بر  اینکه جابجایی رویه پشتی پانل کاهش می‌یابد، پروفیل آن نیز یکنواخت‌تر می‌گردد. بنابراین اگر پانل ساندویچی به عنوان سازه اصلی باشد، بهتر است که از فوم با چگالی بالا استفاده گردد، ولی در صورتی که نیاز است پانل به عنوان سازه فناشونده بر روی یک سازه دیگر نصب شود، باید از فوم با چگالی پایین‌تر استفاده گردد تا فشار منتقل شده به پشت پانل کاهش یابد. همچنین نتایج نشان می‌دهند که تغییرات جابجایی رویه پشتی برحسب تکانه وارده به صورت خطی می‌باشد و با افزایش تکانه، سهم انرژی جذب شده توسط هسته افزایش یافته، ولی سهم جذب انرژی رویه‌ها کاهش می‌یابد .

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental and Numerical Investigation into the Effect of Core Density on the Energy Absorption of Sandwich Panels with Aluminum Face Sheets and Polyurethane Foam Core

نویسندگان [English]

  • Reza Khondabi 1
  • Hossein Khadarahmi 2
  • Rouhollah Hosseini 2
  • Mojtaba Zia Shamami 3
1 Department of Mechanical Engineering faculty of Engineering Imam Hossein Comprehensive University
2 Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Imam Hossein Comprehensive University, Tehran, Iran
3 PhD student Guilan University
چکیده [English]

Sandwich panels with metallic face-sheets and foam core are of great importance in aerospace, naval and automotive industries due to high strength to weight ratio and high energy absorption characteristics. In this article, several aluminum sandwich panels with polyurethane foam core with different densities were designed and tested using a shock tube facility. Some of blast tests were defined in order to determine the effects of foam density on the back face-sheet displacement and energy absorption of sandwich structures. Also using the results of compression test performed on different foams, numerical simulation using Autodyn software was performed. There was a good agreement between experimental investigation and numerical results. The results show that increasing foam density can lead to reducing the back face-sheet displacement of the sandwich panel, but the energy absorption of the panel also decreases. Moreover, increasing the density of the foam, in addition to reducing the shape of the back face of the panel, leads to more uniform profile. So, if the sandwich panel is the main structure, it is advisable to use high-density foam, but if the panel is to be installed as an absorber structure on another structure, lower density foam should be used to reduce the pressure transferred to the back face of the panel. Also, the results show that the changes of the back face[1]sheet displacement versus impulse are linear and increasing impulse can lead to increasing the energy absorption of the core and decreasing the energy absorption of the face-sheets.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Blast Loading
  • sandwich panel
  • Polyurethane foam
  • Energy Absorption
  • Shock tube
[1]  M.F. Ashby, T. Evans, N.A. Fleck, J. Hutchinson, H. Wadley, L. Gibson, Metal foams: a design guide, Elsevier, 2000.
[2]  S. Guruprasad, A. Mukherjee, Layered sacrificial claddings under blast loading Part I—analytical studies, International Journal of Impact Engineering, 24(9) (2000) 957-973.
[3]  S. Guruprasad, A. Mukherjee, Layered sacrificial claddings under blast loading Part II—experimental studies, International Journal of Impact Engineering, 24(9) (2000) 975-984.
[4]  A. Hanssen, L. Enstock, M. Langseth, Close-range blast loading of aluminium foam panels, International Journal of Impact Engineering, 27(6) (2002) 593-618.
[5]  G. Ma, Z. Ye, Energy absorption of double-layer foam cladding for blast alleviation, International Journal of Impact Engineering, 34(2) (2007) 329-347.
[6]  Y.A. Bahei-El-Din, G.J. Dvorak, O.J. Fredricksen, A blast-tolerant sandwich plate design with a polyurea interlayer, International Journal of Solids and Structures, 43(25-26) (2006) 7644-7658.
[7] G. Nurick, G. Langdon, Y. Chi, N. Jacob, Behaviour of sandwich panels subjected to intense air blast–Part 1: Experiments, Composite Structures, 91(4) (2009) 433.144
[8]  D. Karagiozova, G. Nurick, G. Langdon, Behaviour of sandwich panels subject to intense air blasts–Part 2: Numerical simulation, Composite Structures, 91(4) (2009) 442-450.
[9]  M. Theobald, G. Langdon, G. Nurick, S. Pillay, A.Heyns, R. Merrett, Large inelastic response of unbonded metallic foam and honeycomb core sandwich panels to blast loading, Composite structures, 92(10) (2010) 24652475.
[10] D. Karagiozova, G. Nurick, G. Langdon, S.C.K. Yuen, Y. Chi, S. Bartle, Response of flexible sandwichtype panels to blast loading, Composites Science and Technology, 69(6) (2009) 754-763.
[11] J. Shen, G. Lu, Z. Wang, L. Zhao, Experiments on curved sandwich panels under blast loading, International Journal of Impact Engineering, 37(9) (2010) 960-970.
[12]  M. Hassan, Z. Guan, W. Cantwell, G. Langdon, G. Nurick, The influence of core density on the blast resistance of foam-based sandwich structures, International Journal of Impact Engineering, 50 (2012) 9-16.
[13] M. Yazici, J. Wright, D. Bertin, A. Shukla, Experimental and numerical study of foam filled corrugated core steel sandwich structures subjected to blast loading, Composite structures, 110 (2014) 98-109.
[14] C. Uday, C.S.T. Varma, B.N.K. Varma, M. Ramya, K. Padmanabhan, The influence of rigid foam density on the flexural properties of glass fabric/epoxy-polyurethane foam sandwich composites, International Journal of ChemTech Research, 6(6) (2014) 3314-3317.
[15] M. Doğru, İ. Güzelbey, Investigation of the impact effects of thermoplastic polyurethane reinforced with multi-walled carbon nanotube for soldier boot under the blast load, Journal of Thermoplastic Composite Materials,  (2018) 0892705717734599.
[16] P. Zhang, Y. Cheng, J. Liu, Y. Li, C. Zhang, H. Hou, C. Wang, Experimental study on the dynamic response of foam-filled corrugated core sandwich panels subjected to air blast loading, Composites Part B: Engineering, 105 (2016) 67-81.
[17] J.P. Dear, E. Rolfe, M. Kelly, H. Arora, P.A. Hooper, Blast performance of composite sandwich structures, Procedia engineering, 173 (2017) 471-478.
[18]  A. International, Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics, ASTM International, 2010.
[19]  T. AUTODYN, Theory Manual Revision 4.3, Concord, CA: Century Dynamics, in, Inc, 2003.
[20] Z. Zhu, B. Mohanty, H. Xie, Numerical investigation of blasting-induced crack initiation and propagation in rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 44(3) (2007) 412-424.
[21] B. Dobratz, LLNL explosives handbook: properties of chemical explosives and explosives and explosive simulants, Lawrence Livermore National Lab., CA (USA), 1981.
[22] S. Yang, C. Qi, D. Wang, R. Gao, H. Hu, J. Shu, A comparative study of ballistic resistance of sandwich panels with aluminum foam and auxetic honeycomb cores, Advances in Mechanical Engineering, 5 (2013) .612985
[23]  B. Luccioni, F. Isla, R. Codina, D. Ambrosini, R.Zerbino, G. Giaccio, M. Torrijos, Experimental and numerical analysis of blast response of High Strength Fiber Reinforced Concrete slabs, Engineering Structures, 175 (2018) 113-122.
[24] P. Tan, Ballistic protection performance of curved armor systems with or without debondings/delaminations, Materials & Design, 64 (2014) 25-34.
[25] D. Steinberg, Equation of state and strength properties of selected materials,  (1996).
[26] G.R. Johnson, W.H. Cook, Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures, Engineering fracture mechanics, 21(1) (1985) 31-48.
[27] A. Sharma, R. Mishra, S. Jain, S.S. Padhee, P.K. Agnihotri, Deformation behavior of single and multilayered materials under impact loading, Thin-Walled Structures, 126 (2018) 193-204.
[28] T. Mabrouki, J.-F. Rigal, A contribution to a qualitative understanding of thermo-mechanical effects during chip formation in hard turning, Journal of Materials Processing Technology, 176(1-3) (2006) 214-221.