بررسی عددی و تجربی خواص فشاری هسته‌های شانه‌تخم‌مرغی مورد استفاده در سازه‌های ساندویچی زیست‌تخریب‌پذیر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه خوارزمی

2 استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک طراحی کاربردی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

چکیده

در این پژوهش رفتار فشاری هسته‌های شانه تخم مرغ مقوایی که به عنوان لایه میانی در ساخت سازه ساندویچی متشکل از لایه‌های بیرونی کامپوزیتی از جنس ماده ترکیبی پلی‌لاکتیک اسید/کنف-کتان استفاده می‌گردد، به صورت تجربی و عددی مورد مطالعه قرار گرفته‌است. باتوجه به سازگاری این هسته‌ها با محیط زیست (زیست تخریب‌پذیر بودن آن‌ها)، استفاده از این نوع هسته‌ها سبب کاهش استفاده از مواد شیمیایی برای ساخت سازه‌های ساندویچی می‌شود. باتوجه به خصوصیت‌هایی همچون استحکام، خواص مکانیکی و عایق بندی آکوستیک بسیار مناسب، شانه‌های تخم مرغ به عنوان لایه‌ی میانی سازه‌های ساندویچی زیست تخریب‌پذیر انتخاب شده‌است. این سازه نسبت به فشار بسیار مقاوم بوده و انرژی زیادی را برای فشرده‌سازی هسته به خود جذب کرده است. مکانیزم خرابی در این لایه میانی، خرد شدن یا له‌شدن لبه‌های بیرونی و خانه‌های مورد تماس با لبه‌های بیرونی می‌باشد. افزایش ضخامت شانه‌های تخم مرغ، تأثیر مستقیمی بر خواص فشرده‌سازی سازه داشته و با دو برابر کردن ضخامت لایه‌ها، مقدار انرژی جذب شده توسط هسته سازه بیش از 100% افزایش یافته است. در بین انواع چیدمان لایه میانی، هسته از نوع شانه‌های تخم مرغ سری (دو شانه تخم مرغ در هم)، نسبت به سایر هسته‌ها به صورت میانگین 49% سفتی، %108 انرژی جذب شده و 128% استحکام بیشتری از خود نشان می‌دهد و این نوع چیدمان نسبت به سایر هسته‌های مطرح شده، کمترین میزان آسیب را متحمل شده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Investigation on Compressive Properties of Egg Box Cores in Biodegradable Sandwich Panels

نویسندگان [English]

  • Reza Beigpour 1
  • Hassan Shokrollahi 2
  • Seyed Mohammad Reza Khalili 3
1 Kharazmi umiversity
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran
3 Centre of Research for Composite and Smart Materials and Structures, Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, the compression behavior of cardboard egg box cores with various stacking sequences used in sandwich structures is investigated both experimentally and numerically. A critical requirement of the design is that the structure is compatible with the environment (biodegradable), and its properties have been investigated through compression and tension testing. Egg boxes were chosen as the core material for sandwich structures due to their mechanical properties, excellent insulation properties, and strength. Also, the core shape in various stacking sequences were modeled in ABAQUS Finite Element code to simulate the behavior of the egg box core in compression. The results showed that the surrounding edges of the core were crushed and the truncated top region compressed. The increase in thickness of the egg boxes directly affected the compression properties. By doubling the thickness of the layers, the amount of energy absorbed by the core increased by more than 100%. By comparison of various stacking sequences of the cores, the one with double layers of the egg boxes overlapped showed an increase of 49% in stiffness, 108% in energy absorption, and 128% in strength. According to the results, the tangled arrangement of the second type of the core exhibits the highest load bearing, the greatest energy absorption, and less damage as compared to other core stacking sequences.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sandwich structure
  • Biodegradable
  • Compression
  • Experimental study
  • Egg box core
[1] H. Altenbach, Mechanics of advanced materials for lightweight structures, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 225(11) (2011) 2481-2496.
[2] T. Khan, V. Acar, M.R. Aydin, B. Hülagü, H. Akbulut, M.Ö. Seydibeyoğlu, A review on recent advances in sandwich structures based on polyurethane foam cores, Polymer Composites, 41(6) (2020) 2355-2400.
[3] J.R. Vinson, Sandwich Structures: Past, Present, and Future, in: O. Thomsen, E. Bozhevolnaya, A. Lyckegaard (Eds.) Sandwich Structures 7: Advancing with Sandwich Structures and Materials, Springer, Dordrecht, 2005.
[4] T. Bitzer, Honeycomb Technology- Material Design, Manufacturing Applications and Testing, Springer, Netherlands, 1997.
[5] J. Romanoff, P. Varsta, Bending response of web-core sandwich beams, Composite Structures, 73(4) (2006) 478-487.
[6] I.M. Daniel, E.E. Gdoutos, K.A. Wang, J.L. Abot, Failure Modes of Composite Sandwich Beams, International Journal of Damage Mechanics, 11(4) (2002) 309-334.
[7] G.H. Liaghat, H.-a. Sorailo, Sandwich Design Optimization Honeycomb Panels Under Compressor Load, mdrsjrns, 9(1) (2009) 73-82.
[8] Z.-Y. Cai, X. Zhang, X.-B. Liang, Multi-point forming of sandwich panels with egg-box-like cores and failure behaviors in forming process: Analytical models, numerical and experimental investigations, Materials & Design, 160 (2018) 1029-1041.
[9] A. Galic, S. Pliestic, D. Filipovic, I. Kovacev, K. Copec, Z. Janjecic, D. Bedekovic, Mechanical properties of ten-egg boxes made of different materials, J Food Sci Technol, 55(4) (2018) 1325-1330.
[10] A.K. Haldar, Z.W. Guan, W.J. Cantwell, Q.Y. Wang, The compressive properties of sandwich structures based on an egg-box core design, Composites Part B: Engineering, 144 (2018) 143-152.
[11] D.D. Cartié, N.A. Fleck, The effect of pin reinforcement upon the through-thickness compressive strength of foam-cored sandwich panels, Composites Science and Technology, 63(16) (2003) 2401-2409.
[12] B. Wang, L. Wu, L. Ma, Y. Sun, S. Du, Mechanical behavior of the sandwich structures with carbon fiber-reinforced pyramidal lattice truss core, Materials & Design (1980-2015), 31(5) (2010) 2659-2663.
[13] S.H. Yoo, S.H. Chang, M.P.F. Sutcliffe, Compressive characteristics of foam-filled composite egg-box sandwich panels as energy absorbing structures, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(3) (2010) 427-434.
[14] R. Beigpour, H. Shokrollahi, S.M.R. Khalili, Experimental and numerical analysis of a biodegradable hybrid composite under tensile and three-point bending tests, Composite Structures, 273 (2021) 114255.
[15] C. Fellers, M. Backstrom, M. Htun, G. Lindholm, Paper-to-paper friction - paper structure and moisture, Nordic Pulp & Paper Research Journal, 13(3) (1998) 225-232.
[16] O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor, The finite element method, McGraw-Hill Book Company, 1989.