توصيفگر ها :
سازه ساندويچي كامپوزيتي هسته خرپايي , رفتار فشاري , رفتار خمشي , شبيه¬سازي اجزاي محدود , آرايش خرپايي كاگوم
چكيده فارسي :
سازه¬هاي ساندويچي كامپوزيتي داراي هسته خرپايي (سازه خرپايي) در دهه اخير توجه بيشتر پژوهشگران را به خود جلب كرده است. سازه¬هاي خرپايي ويژگي¬هايي نظير سفتي و مقاومت بالا در چگالي¬هاي خيلي پايين، فضاي خالي در دسترس براي جابهجايي سيال يا سيم¬كشي و امكان افزودن توانايي چندمنظوره دارند. بنابراين، سازه¬هاي خرپايي براي كاربردهاي سبك¬وزن در صنعت¬هاي گوناگوني مانند هوافضا، خودروسازي، دفاعي و حمل و نقل مناسب هستند. در نخستين گام، يك روش ساخت مناسب از ميان سه روش ساخت جابه¬جايي نخ ميان دو پارچه¬، جابهجايي نخ ميان دو صفحه پلكسي و قالب¬گيري حذف¬شونده انتخاب شد. در گام دوم، سعي شد تا بهترين الگوي قرارگيري ساق¬هاي خرپا مشخص گردد. نتايج آزمون فشار صفحه¬اي نشان داده كه الگوي قرارگيري متداخل سفتي و مقاومت فشاري بالاتري نسبت به الگوي قرارگيري مماسي (تقريبا 5/1 تا 2 برابر) نشان داده است. افزون¬براين، آسيب جدايي ساق از ساق در مركز ساختار كاگوم براي الگوي قرارگيري متداخل مشاهده نشد. اختلاف ميان داده¬هاي آزمايشگاهي و مدل نظري با اصلاح چگونگي جابهجايي نخ ميان ساق¬هاي خرپايي و همچنين تقويت پايه ساق خرپا كاهش يافت. براي نمونه، اختلاف ميان داده آزمايشگاهي و نظري مقاومت فشاري از %346 به %11 كاهش يافت. با به¬كارگيري راهكارهاي ارائه شده، سازه¬هاي خرپايي زير بارگذاري فشار صفحه¬اي به دليل شكست ساق آسيب ديدند كه نشان¬دهنده يك رفتار ايده¬آل فشاري است. افزون¬براين، بهبود %11 مقاومت فشاري سازه خرپايي با به¬كارگيري ساختار تقويت¬كننده تركيبي بريد-تك¬جهته حاصل شد. سفتي و مقاومت فشاري ويژه سازه خرپايي با تقويت آرايش خرپايي كاگوم با چهار ساق (RK4) به¬ترتيب به اندازه %94 و %56 افزايش يافت. افزون¬بر¬اين، ويژگي-هاي خمشي ويژه آرايش خرپايي RK4 نسبت به آرايش خرپايي كاگوم به اندازه 23% تا 56% بهبود يافت. يك شبيه¬سازي اجزاي محدود بر پايه هندسه واقعي سازه خرپايي پيشنهاد گرديد. يك زيربرنامه VUMAT با استفاده از معيار هاشين سه¬بعدي براي پيش¬بيني شروع آسيب و روش تضعيف المان براي رشد آسيب آماده شد. رفتار فشاري و خمشي سازه¬هاي خرپايي به‌خوبي توسط شبيه¬سازي اجزاي محدود پيش¬بيني شد. گرچه، در برخي از موارد، اختلاف نسبتا قابل توجهي ميان ويژگي¬هاي پيش¬بيني شده و آزمايشگاهي وجود دارد. احتمال چرخش پوسته بالا هنگام انجام آزمون فشار، كمانش آرايش خرپايي پيش از شكست، پراكندگي نايكنواخت الياف كربن در سطح مقطع پايه ساق، كسر حجمي الياف متغير در امتداد طولي ساق و عيب¬هاي ساختاري پديده آمده هنگام فرآيند ساخت از ريشه¬هاي اختلاف ميان داده¬هاي شبيه¬سازي و آزمايشگاهي است. در مجموع، ويژگي¬هاي فشاري و خمشي سازه¬هاي ساندويچي خرپايي ساخته شده قابل مقايسه با يافته¬هاي ديگر پژوهشگران است و همچنين توانايي رقابت با ساختار لانه¬زنبوري را دارد.
چكيده انگليسي :
Over the past decade, a significant number of researchers have been drawn to investigate truss core sandwich composite (TCSC) structures. TCSC structures are characterized by their high stiffness and strength-to-density ratio, providing enough space for fluid flow, wiring installation, or multifunctional capabilities. Consequently, TCSC structures find applications in lightweight applications across various industries, including aerospace, automotive, defense, and transportation. In the initial stage, an appropriate manufacturing method was selected, considering options such as interweaving fabrics, interweaving plexi plates, and lost-molding. In the subsequent phase, efforts were made to identify the most effective truss assembly technique. Results from flatwise compression tests revealed that partially intersected samples exhibited significantly higher compressive stiffness and strength, approximately 1.5 to 2 times greater than tangential samples. Notably, partially intersected TCSC samples displayed no strut-strut debonding at the central node. Discrepancies between theoretical and experimental values were further minimized by altering the yarn path within the composite strut and reinforcing the base of the strut. For instance, the error in compressive strength was reduced from 346% to 11%. By implementing these proposed solutions, TCSC samples demonstrated ideal compressive responses, including strut fracture under flatwise compressive loading. Additionally, the incorporation of a hybrid unidirectional-braided preform as reinforcement increased the compressive strength of TCSC by approximately 11%. Specific compressive properties of the Kagome topology were enhanced by 56% to 94% with the introduction of four vertical struts, and specific bending properties gained improvements of 23% to 56%. A finite element simulation based on the actual truss configuration geometry was developed. A VUMAT subroutine was created using a 3D Hashin damage initiation criterion and an element weakening method as the damage evolution law. This simulation adequately predicted the compressive and bending responses of TCSC, though some differences between predicted and experimental values were existed.These differences could be attributed to factors such as possible rotation of the upper facesheet during flatwise compressive tests, truss configuration buckling prior to fracture, non-uniform distribution of carbon fibers in the strut base cross-section, variable fiber volume fraction along the length of the strut, and structural defects arising from the fabrication process. Overall, the compressive and bending properties of the fabricated TCSC structures were on par with similar structures and could compete with honeycomb sandwich structures.
