علوم و فناوری کامپوزیت

تحلیل تجربی و عددی ضربه سرعت پایین بر روی پانل ساندویچی با هسته مشبک کامپوزیتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران.

2 کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهرا ن.

10.22068/jstc.2019.110374.1563

چکیده

پانل ساندویچی با هسته مشبک کامپوزیتی، پانلی متشکل از یک هسته با ساختار مشبک کامپوزیتی از نوع کاگوم، به همراه دو صفحه فوقانی و تحتانی در دو طرف این هسته میباشد. این سازه‌ها می‌توانند جایگزین سازه‌های تقویت شده با استرینگر، پانل‌های ساندویچی با هسته لانه‌زنبوری و سازه‌های مشبک آلومینیومی گردند.
در این پژوهش، با انجام تستهای تجربی و با کمک نرمافزار آباکوس، به بررسی تجربی و عددی ضربه سرعت پایین در پانل ساندویچی با هسته مشبک پرداخته شده است. برای انجام تست ضربه سرعت پایین، دو پانل ساندویچی با هسته مشبک ساخته شده و تحت بارگذاری سقوط آزاد ضربه‌زننده با نوک نیم کروی قرار گرفته‌اند. برای شبیهسازی عددی، از انواع المانهای سه بعدی و حل آسیب پیشرونده به کمک زیر-برنامه‌نویسی با زبان فرترن در نرمافزار، کمک گرفته شده است. مقایسه بین نتایج عددی و تجربی نشان می‌دهد که روش المان محدود، روشی کارآمد جهت کاهش زمان و هزینه برای پیش-گویی رفتار این نوع سازهها در مقابل بارهای ضربهای است. در بارگذاری ضربه، آنچه که موجب جذب انرژی در سازه میشود، آسیب دیدن بخشی از سازه است که در مقابل ضربه‌زننده قرار دارد. بسته به میزان انرژی وارده، این آسیب دیدگی میتواند شامل صفحه فوقانی یک پانل ساندویچی و یا ریب‌های درون هسته آن باشد و صلبیّت بیشتر محل برخورد ضربه‌زننده، موجب کاهش سطح آسیب قابل مشاهده در سازه شده است. همچنین در اثر ضربه روی نقاطی مانند محل تقاطع ریبها که نسبت به فضای بین ریبها، از سفتی بیشتری برخورداراند، مدت زمان برخورد کاهش و حداکثر نیروی تماس افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical analysis of low-velocity impact on composite sandwich panels with grid stiffened core

نویسندگان [English]

  • Ali Davar 1
  • Reza Azarafza 1
  • Javad Faraji Shoaa 2

1 Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

2 Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Composite sandwich panels with grid stiffened core, are composed of composite face sheets and kagome type lattice core. These structures can be used as alternative to the structures reinforced with stringer, sandwich panels with honeycomb core and aluminum grid structures.
In this study, experimental tests and finite element analysis using ABAQUS software are applied for low-velocity impact on grid stiffened sandwich panels. In the experimental method, two sandwich panels with grid stiffened core are manufactured and undergo drop weight impact with a hemispherical steel impactor. Also, in the numerical method, the results are compared with the three-dimensional elements and progressive damage model is applied by employing user defined material subroutines in finite element method using ABAQUS software. Making comparison between the present numerical results with experimental results, shows that the finite element method is an efficient way to reduce the time and cost for understanding the behavior of this type of structure against impact loads. The energy absorption occurs in the structures mainly due to the induced damage in the impact region of the structure. This damage may affect the top face sheets or the ribs within the core of the sandwich panel and the rigidity of the impact position, reduces the visible damaged area in the structure. Also, the impact on the points such as the ribs’ intersections, which are more rigid than the space between the ribs, causes the contact time to be decreased and the maximum contact force to be increased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sandwich panel
  • Grid stiffened core
  • Low velocity impact
  • Progressive damage
  • VUMAT subroutines
مراجع
[1] Stevanovic, M. M. and Stecenko T. B., “Mechanical Behaviour of Carbon and Glass Hybrid Fibre Reinforced Polyester Composites” Journal of Material Science, Vol. 27, pp. 941–946, 1992.
[2] Fischer, H., “Polymer nanocomposites: From Fundamental Research to Specific Applications,” Materials Science and Engineering: C, Vol. 23, pp. 763-772, 2003.
[3] Treacy, M. M. J., Ebbesen, T. W. and Gibson, J. M., “Exceptionally high Young's Modulus Observed for Individual Carbon Nanotubes,” Nature, Vol. 381, No. 6584, pp. 678–680, 1996.
[4] Wong, E. W., Sheehan, P. E. and Lieber, C. M., “Nanobeam mechanics: Elasticity, Strength, and Toughness of Nanorods and Nanotubes,” Science, Vol. 277, No. 5334, pp. 1971–1974, 1997.
[5] Stankovich, S., Dikin, D. A., Dommett, G. H. B., Kohlhaas, K. M.,  Zimney, E. J., Stach, E. A., Piner, R. D., Nguyen, S. T. and Ruoff, R. S., “Graphene-Based Composite Materials, ”Nature, Vol. 442, No. 7100, pp. 282-286.2006.
[6] Androulidakis, C., Tsoukleri, G., Koutroumanis, N., Gkikas, G., Pappas, P., Parthenios, J., Papagelis, K. and Galiotis, C. “Experimentally Derived Axial Stress–Strain Relations for Two-Dimensional Materials such as Monolayer Graphene, Carbon” Vol. 81, No. 1, pp. 322-328, 2015.
[7] Sadeghzadeh, S. and Liu, L., “Resistance and Rupture Analysis of Singleand Few-Layer Graphene Nanosheets Impacted by Various Projectiles,” Superlattices and Microstructures, Vol. 97, No. 1, pp. 617-629, 2016.
[8] Ashenai Ghasemi, F., Saberian, M.H., Ghasemi, I. and Daneshpayeh, S., “Experimental Investigation on Mechanical Properties of Hybrid Nano-Compositebased on Epoxy/ Graphene Nano-Platelets/ Carboxylated Acrylonitrile Butadiene Rubber,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, in press.
[9] Ashenai Ghasemi, F., Ghasemi, I. and Daneshpayeh, S., “An Investigation of Titanium Dioxide Nanoparticles Effect on the Impact Strength, Tensile Strength and Elastic Modulus of Polypropylene/Linear Low Density Polyethylene (PP/LLDPE) Blends,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol.4, No. 4, pp. 386-390, 2017.
[10] Garcia, M., Vilet, G.V. and Jain,S., “Polypropylene/SiO2 Nanocomposites with Improved Mechanical Properties,” Journal reviews on advanced materials science. Vol. 6, No. 2, pp. 169-175, 2004.
[11] Rafiee, M. A., Rafiee, J., Wang, Z., Song, H. and Koratkar, N., “Enhanced Mechanical Properties of Nanocomposites at Low Graphene Content,” ACS NANO, Vol. 3, No. 12, pp. 3884-3890, 2009.
[12] Sharma S.P. and Lakkad S.C., “Impact Behavior and Fractographic Study of Carbon Nanotubes Grafted Carbon Fiber-Reinforced Epoxy Matrix Multi-Scale Hybrid Composites,” Composite Part A: Applied science and manufacturing, Vol. 69, pp. 124–131, 2015.
[13] Megahed, M., Megahed AA and Agwa, MA., “The Influence of Incorporation of Silica and Carbon Nanoparticles on the Mechanical Properties of Hybrid Glass Fiber Reinforced Epoxy,” Journal of industrial of textiles, In press.
[14] Wacharawichananat, S., Thongyai, S. and Tipsri, T.,“Effect of Mixing Conditions and Particle Sizes of Titanium Dioxide on Mechanical and Morphological Properties of Polypropylene/Titanium Dioxide Composites”, Iranian Polymer Journal, Vol. 18, No. 8, pp. 607-616, 2009.
[15] Shokrieh, M. M. Zeinedini, A. Ghoreishi, S. M., "Effects of Adding Multiwall Carbon Nanotubes on Mechanical Properties of Epoxy Resin and Glass/Epoxy Laminated Composites", In Persian, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No 9, pp. 125-133, 2015.
[16] Kazemi khasrag, E. Siadati, M. H. and Eslami-Farsani, R., “Effect of Surface Modification of Graphene Nanoplatelets on the High Velocity Impact Behavior of Basalt Fibers Reinforced Polymer-Based Composites”, In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 5, No. 1, pp. 109-116, 2018.
[17] Zabihi, O., Ahmadi, M., Nikafsha S. Preyeswary K.C. and Naebe, M.,A Technical Review on Epoxy-Clay Nanocomposites: Structure, Properties, and Their Applications in Fiber Reinforced Cmposites, Composite Part B: Engineering , V. 135,pp 1-24, 2018.
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 6، شماره 4
اسفند 1398
صفحه 615-626
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار