علوم و فناوری کامپوزیت

علوم و فناوری کامپوزیت

شبیه‌سازی عددی پاسخ خمشی ساندویچ پانل‌های زیست‌ تخریب ‌پذیر با اشکال و مواد مختلف هسته با روش المان محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
سید محمد رضا خلیلی 1
سعید حبیبی 2
علی اکبر طاهری 3
1 استاد، مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران .
2 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران.
3 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران.
10.22068/jstc.2025.2050700.1913
چکیده
ساندویچ‌ پانل‌های زیست‌تخریب‌پذیر به‌عنوان نسل جدیدی از سازه‌های سازگار با محیط زیست، به‌دلیل قابلیت بازگشت به طبیعت پس از پایان عمر مفید، مورد توجه گسترده قرار گرفته‌اند. در این پژوهش، رفتار خمشی این نوع پانل‌ها به‌صورت عددی و با استفاده از روش اجزای محدود مورد بررسی قرار گرفته است. ساختار پانل‌ها شامل پوسته‌هایی تقویت‌شده با الیاف کتان و هسته‌هایی با اشکال هندسی مختلف است که از مواد کامپوزیتی، چوبی و آلومینیومی ساخته شده‌اند. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از روش اجزای محدود و تحت شرایط بارگذاری یکسان انجام شده‌اند. هدف اصلی، ارزیابی و مقایسه عملکرد مکانیکی ترکیب‌های مختلف از نظر توزیع تنش و میزان جذب انرژی بوده است. نتایج نشان داد که نحوه ترکیب شکل و جنس هسته تأثیر قابل‌توجهی بر رفتار خمشی پانل‌ها دارد. به‌طور کلی، هسته‌های با هندسه‌های منحنی مانند هلالی و W عملکرد بهتری نسبت به سایر اشکال از خود نشان دادند، درحالیکه هسته‌های با اشکال مربعیِ R و X عملکرد ضعیف‌تری داشتند. همچنین مشخص شد که اگرچه هسته‌های آلومینیومی توزیع تنش یکنواخت‌تری فراهم می‌کنند، اما نمونه‌های چوبی و کامپوزیتی از نظر جذب انرژی عملکرد بهتری دارند. این یافته‌ها می‌تواند به طراحی بهینه ساندویچ‌ پانل‌های زیست‌تخریب‌پذیر در کاربردهای سازه‌ای کمک کند.
کلیدواژه‌ها
کامپوزیت زیست تخریب پذیر
پانل ساندویچ
هسته موجدار
استحکام خمشی
شبیه سازی عددی

موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Simulation of the Bending Response of Biodegradable Sandwich Panels with Various Core Shapes and Materials by Finite Element Method

نویسندگان English

Seyed Mohammad Reza Khalili 1
Saeed Habibi 2
Ali Akbar Taheri 3
1 Faculty of Mechanical Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
2 Faculty of Mechanical Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
3 Faculty of Mechanical Engineering, K.N.Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

Biodegradable sandwich panels, as a new generation of environmentally friendly structures, have attracted considerable attention due to their ability to return to nature at the end of their service life. In this study, the flexural behavior of such panels was numerically investigated using the finite element method. The panel structure consists of flax fiber-reinforced skins and cores with various geometric configurations made from composite, wooden, and aluminum materials. Simulations were performed under identical loading conditions. The main objective was to evaluate and compare the mechanical performance of different core configurations in terms of stress distribution and energy absorption capacity. The results indicated that the combination of core shape and material has a significant influence on the flexural behavior of the panels. Overall, cores with curved geometries such as C-shaped and W-shaped exhibited superior performance compared to other shapes, while R-shaped and X-shaped cores showed the weakest results. Furthermore, although aluminum cores provided more uniform stress distribution, wooden and composite cores demonstrated better energy absorption performance. These findings can serve as a basis for the optimal design of biodegradable sandwich panels in structural applications.

کلیدواژه‌ها English

Biodagradable Composite
sandwich panel
corrugated core
Bending strength
Numerical Simulation
[1] Shrivastava, A., Dondapati, S., “Biodegradable composites based on biopolymers and natural bast fibres: A review,” Materials Today: Proceedings, Vol. 46, pp. 1420–1428, 2021.
[2] Smardzewski, J., “Wooden sandwich panels with prismatic core – Energy absorbing capabilities,” Composite Structures, Vol. 230, p. 111535, 2019.
[3] Ávila De Oliveira, L., Coura, G. L. C., PassaiaTonatto, M. L., Panzera, T. H., Placet, V., Scarpa, F., “A novel sandwich panel made of prepreg flax skins and bamboo core,” Composites Part C: Open Access, Vol. 3, p. 100048, 2020.
[4] Sarwar, A., Mahboob, Z., Zdero, R., Bougherara, H., “Mechanical characterization of a new Kevlar/Flax/epoxy hybrid composite in a sandwich structure,” Polymer Testing, Vol. 90, p. 106680, 2020.
[5] CoDyre, L., Mak, K., Fam, A., “Flexural and axial behaviour of sandwich panels with bio-based flax fibre-reinforced polymer skins and various foam core densities,” Jnl of Sandwich Structures & Materials, Vol. 20, No. 5, pp. 595–616, 2018.
[6] Betts, D., Sadeghian, P., Fam, A., “Structural behavior of sandwich beams with flax fiber–reinforced polymer faces and cardboard cores under monotonic and impact loads,” J. Archit. Eng., Vol. 26, No. 2, p. 04020013, 2020.
[7] Beigpour, R., Khalili, S. M. R., Shokrollahi, H., “Lightweight biodegradable hybrid composite sandwich panel under three‐point bending loads—Experimental and numerical,” Polymer Composites, Vol. 43, No. 11, pp. 8007–8029, 2022.
[8] Ren, Y., Wang, N., Jiang, H., Liu, Z., “Numerical evaluation of planar compression performances of composite sandwich panel with X-, Y-, and A-shaped core,” Journal of Composite Materials, Vol. 55, No. 13, pp. 1835–1849, 2021.
[9] Hamidin, F., Farrokhabadi, A., Ahmadi, H., “The effect of core shape on the bending response of sandwich panels with filled and unfilled sine and square corrugated cores,” J Fail. Anal. and Preven., Vol. 21, No. 2, pp. 537–546, 2021.
[10] Jiang, Q., Chen, G., Kumar, A., Mills, A., Jani, K., Rajamohan, V., Venugopal, B., Rahatekar, S., “Sustainable sandwich composites manufactured from recycled carbon fibers, flax fibers/pp skins, and recycled pet core,” J. Compos. Sci., Vol. 5, No. 1, p. 2, 2020.
[11] Dastan, T., Safian, A., Sheikhzadeh, M., “The crashworthiness performance of integrally woven sandwich composite panels made using natural and glass fibers,” Journal of Composite Materials, Vol. 55, No. 9, pp. 1279–1292, 2021.
[12] Yang, Y., Fahmy, M.F., Pan, Z., Zhan, Y., Wang, R., Wang, B., Feng, B., “Experimental study on basic mechanical properties of new BFRP-bamboo sandwich structure,” Construction and Building Materials, Vol. 264, p. 120642, 2020.
[13] Zurnaci, E., Gokkaya, H., Nalbant, M., Sur, G., “Three-point bending response of corrugated core metallic sandwich panels having different core configurations – an experimental study,” Eng. Technol. Appl. Sci. Res., Vol. 9, No. 2, pp. 3981–3984, 2019.
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 12، شماره 1
بهار 1404
صفحه 2659-2668