بررسی تحلیلی-تجربی رفتار نفوذ بر صفحه ساندویچی با هسته اسفنجی و ورق‌های رویه کامپوزیتی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، گروه کامپوزیت، صندوق پستی 112-14975

2 تهران، دانشگاه امیرکبیر، دانشکده مهندسی مکانیک، صندوق پستی4311-159163

چکیده

در این مقاله، قانون تماس بین ورق ساندویچی با هسته اسفنجی انعطاف‌پذیر و رویه کامپوزیتی با سمبه نیم‌کروی صلب با استفاده از روش تحلیلی- تجربی بررسی شد. به‌طور کلی، رابطه بین تغییرشکل و بار وارد شده به سازه به‌وسیله جسم خارجی، قانون تماس یا نفوذ نامیده می‌شود. در سازه‌های ساندویچی با توجه به انعطاف‌پذیری هسته و تفاوت زیاد مدول کشسانی بین رویه و هسته، به‌دست آوردن توزیع نیروی حاصل از تماس سمبه پیچیدگی‌های فراوانی دارد. در روش حاضر، با درنظرگرفتن رابطه توانی بین نیروی وارد شده به سازه و مقدار نفوذ سمبه، به همراه استفاده از نتایج تجربی حاصل از آزمون نفوذ بر سازه ساندویچی، توزیع نیرو محاسبه شده است. با توجه به توزیع نیروی به‌دست آمده و استفاده از حل مرتبه بالای سازه‌های ساندویچی، تغییرشکل ورق ساندویچی زیر بارگذاری ایستا (خمش) محاسبه شد. در این حل، رویه‌ها براساس فرض‌های نظری مرتبه اول برشی و هسته به شکل جسم سه‌بعدی که می‌تواند در راستای ضخامت فشرده شود، مدل‌سازی شدند. در بخش تجربی، ابتدا آزمون نفوذ و سپس آزمون خمش روی نمونه‌ها انجام شد. در آزمون نفوذ، نمونه‌ها با قرارگرفتن روی تکیه‌گاه صلب، بارگذاری شدند تا سازه تغییرشکل کلی نداشته باشد و مقدار جابه‌جایی نوک سمبه برابر با مقدار نفوذ باشد. در آزمون خمش، شرایط مرزی تکیه‌گاه ساده درنظر گرفته شد و نیرو به‌وسیله سمبه‌ای صلب نیم‌کروی در وسط ورق وارد شد. نمونه‌های ساندویچی بررسی ‌شده دارای رویه‌های از جنس کامپوزیت شیشه-اپوکسی و هسته از جنس‌ اسفنج استیرن-آکریلونیتریل بودند. مقایسه نتایج تحلیلی و تجربی نشان داد، استفاده از توزیع نیروی به‌دست آمده می‌تواند موجب افزایش قابل توجه دقت پیش‌بینی نتایج برای محاسبه تغییرشکل سازه ساندویچی با هسته انعطاف‌پذیر تحت بارگذاری ایستا شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Analytical/Empirical Study on Indentation Behavior of Sandwich Plate with Foam Core and Composite Face Sheets

نویسندگان [English]

  • Soheil Dariushi 1
  • Mojtaba Sadighi 2
1 Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box: 14975-112, Tehran, Iran
2 Department of Mechanic Engineering, Amirkabir University of Technology, P.O. Box: 159163-4311, Tehran, Iran
چکیده [English]

Sandwich structures are widely used in aerospace, automobile, high speed train and civil applications. Sandwich structures consist of two thin and stiff skins and a thick and light weight core. In this study, the obligatory mandate of a sandwich plate contact constitutes a flexible foam core and composite skins with a hemispherical rigid punch has been studied by an analytical/empirical method. In sandwich structures, calculation of force distribution under the punch nose is complicated, because the core is flexible and the difference between the modulus of elasticity of skin and core is large. In the present study, an exponential correlation between the contact force and indentation is proposed. The coefficient and numerical exponent were calculated using the experimental indentation results. A model based on a high-order sandwich panel theory was used to study the bending behavior of sandwich plate under hemispherical punch load. In the first method, the force distribution under the punch nose was calculated by the proposed method and multiplied to deformation of related point in the loading area to calculate the potential energy of the external loads. In the second method, the punch load was modeled as a point force and multiplied to deformation of maximum indented point. The results obtained from the two methods were compared with the experimental results. Indentation and bending tests were carried out on sandwich plates with glass/epoxy skins and a styrene/acrylonitrile foam core. In the bending test, a simply support condition was set and in the indentation test the sandwich specimens were put on a rigid support. Indeed, in this position the punch movement was equal the indentation. The comparison between the analytical and experimental results showed that the proposed method significantly improved the accuracy of analysis.

کلیدواژه‌ها [English]

  • contact law
  • sandwich plate
  • indentation
  • glass/epoxy composite
  • acrylonitrile Foam

Zenkert D., An Introduction to Sandwich Construction, Chameleon, USA, 1-12, 1995.
Hu H., Belouettar S., Potier-Ferry M., and Daya E.M., Review and Assessment of Various Theories for Modeling Sandwich Composites, Compos. Struct., 84, 282-292, 2008.
Dariushi S. and Sadighi M., A study on Flexural Properties of Sandwich Structures with Fiber/Metal Laminate Face Sheets, Appl. Compos. Mater., 20, 839-855, 2013.
Carlsson L.A. and Kardomateas G.A., Structural and Failure Mechanics of Sandwich Composites, Springer, USA, 21-32, 2011.
Li Z., Chen X., Jiang B., and Lu F., Local Indentation of Aluminum Foam Core Sandwich Beams at Elevated Temperatures, Compos. Struct.,145,142-148, 2016.
Olsson R. and McManus H., Improved Theory for Contact Indentation of Sandwich Panels, AIAA J., 34, 1238-1244, 1996.
Rajaneesh A., Sridhar I., and Akisanya A., Indentation Failure of Circular Composite Sandwich Plates, Mater. Des., 89, 439-447, 2016.
Xiao D., Mu L., and Zhao G., Indentation Response of Sandwich Panels with Positive Gradient Metallic Cellular Core, Sandw. Struct. Mater., 17, 597-612, 2015.
Saleh M., Luzin V., Toppler K., and Kabir K. Response of Thin-Skinned Sandwich Panels to Contact Loading with Flat-Ended Cylindrical Punches: Experiments, Numerical Simulations and Neutron Diffraction, Compos. Part B: Eng., 78, 415-430, 2015.
Abrate S., Impact on Composite Structures, Cambridge University, USA, Chapt. 2, 1998.
Yang P., Shams S., Slay A., Brokate B., and Elhajjar R., Evaluation of Temperature Effects on Low Velocity Impact Damage in Composite Sandwich Panels with Polymeric Foam Cores, Compos. Struct., 129, 213-223, 2015.
Zhu S. and Chai G., Damage and Failure Mode Maps of Composite Sandwich Panel Subjected to Quasi-Static Indentation and Low Velocity Impact, Compos. Struct., 101, 204-214, 2013.
Park H. and Kong C., Study on Impact Damage Behavior of Sandwich Composite Structure for Aircraft, Compos. Res., 26, 36-41, 2013.
Zhu S. and Chai G., Low-velocity Impact Response of Composite Sandwich Panels, Proc. Inst. Mech., 230, 388-399, 2016.
Zaidi M., Javed M., and Kumari S., Simulation Study of Stiffeners on Composite Plate, Recent Res., 6, 176-179, 2014.
Shariyat M. and Jafari R., Nonlinear Low-Velocity Impact Response Analysis of a Radially Preloaded Two-Directional-Functionally Graded Circular Plate: A Refined Contact Stiffness Approach, Compos. Part B: Eng., 6, 176-179, 2013.
Chai G.B. and Manikandan P., Low Velocity Impact Response of Fibre-Metal Laminates - A Review, Compos. Struct., 107, 363-381, 2014.
Abot J.L., Daniel I.M., and Gdoutos E.E., Contact Law for Composite Sandwich Beams, J. Sandw. Struct. Mater., 4,157-169, 2002.
Sburlati R., The Contact Behavior Between a Foam Core Sandwich Plate and a Rigid Indentor, Compos, Part B: Eng., 33, 325-332, 2002.
Saadati M. and Sadighi M., Indentation in Lightweight Composite Sandwich Beams, Proc. Inst. Mech. Eng. Part G: J. Aerosp. Eng., 223, 825-835, 2009.
Sadighi M. and Saadati M., Non-linear Indentation Law for Lightweight Sandwich Beam, Proc. Inst. Mech. Eng. Part G: J. Aerosp. Eng., 224,1163-1176, 2010.
Pitarresi G. and Amorim J., Indentation of Rigidly Supported Sandwich Beams with Foam Cores Exhibiting Non-Linear Compressive Behaviour, J. Sandw. Struct., 13, 605-638, 2011.
Xie Z., Zheng Z., and Yu J., Localized Indentation of Sandwich Beam With Metallic Foam Core, J. Sandw. Struct. Mater., 14, 197-210, 2012.
Ferri R. and Sankar B.V., Static Indentation and Low Velocity Impact Tests on Sandwich Plates, Proc ASME Aerospace Div, 55, 485-490, 1997.
Tan T. and Sun C., Use of Statical Indentation Laws in the Impact Analysis of Laminated Composite Plates, J. Appl. Mech., 52, 6-12, 1985.
Yu Z. and Gao S., Increase of Contact Radius due to Deflection In Low Velocity Impact of Composite Laminates and Prediction of Delamination Threshold Load, Compos. Struct., 147, 286-293, 2016.
Shariyat M. and Jafari R., Nonlinear Low-Velocity Impact Response Analysis of a Radially PreloadedTwo-Directional-Functionally Graded Circular Plate: A Refined Contact Stiffness Approach, Compos. Part B: Eng., 2013.
Yang M. and Qiao P., Impact and Damage Prediction of Sandwich Beams with Flexible Core Considering Arbitrary Boundary Effects, J. Sandw. Struct. Mater., 9, 411-444, 2007.
Yalamanchili V.K. and Sankar B.V., Indentation of Functionally Graded Beams and Its Application to Low-Velocity Impact Response, Compos. Sci. Technol., 72, 1989-1994, 2012.
Jones R.M. and Robert M., Mechanics of Composite Materials, Taylor and Francis, USA, Chapt. 2, 1999.
Li R. and Kardomateas G., Nonlinear High-Order Core Theory for Sandwich Plates with Orthotropic Phases, AIAA J., 46, 2926-2934, 2008.