تحلیل ضربه سرعت پایین پنل‌های متا- ساندویچی با هسته‌های مختلف

قوانلو, میترا; عبداللهی فر, علی

تحلیل ضربه سرعت پایین پنل‌های متا- ساندویچی با هسته‌های مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

میترا قوانلو

علی عبداللهی فر

مجتمع دانشگاهی علوم و فناوری هوادریا،دانشگاه صنعتی مالک اشتر،شیراز،ایران

چکیده

کف شناورها و قایق‌های پرنده بایستی با وجود سبک وزن بودن در مقابل بارهای ضربه‌ای نظیر ضربه سرعت پایین نیز مستحکم باشند. در مقاله حاضر، به بررسی رفتار دینامیکی ساختار پنل‌های متا- ساندویچی با هسته های مختلف تحت بارگذاری ضربه سرعت پایین به روش تحلیلی وعددی خواهیم پرداخت. چهار نمونه هسته مختلف شامل لانه زنبوری، آگزتیک، مربعی و مثلثی از جنس پلی لاکتیک اسید تحت ضربه، یک پرتابه نیم کروی فولادی با شعاع 15 میلی متر با شرایط مرزی ثابت مورد بررسی قرار گرفته است. رفتار متقابل بین ضربه زننده با پنل متا- ساندویچ به کمک یک سیستم دو درجه آزادی جرم و فنر با استفاده از نرم افزار المان محدود همانند انسیس ورک بنچ مدلسازی شده است. بیشترین نیروی تماسی برخورد نیز به صورت تحلیلی و عددی با یکدیگر مقایسه می‌گردد و نتایج نشان دهنده تطابق خوبی میان این دو روش است. با توجه به اهمیت پارامترهای مؤثر در پاسخ دینامیکی ساختار پنل‌های ساندویچی اثر برخی پارامترها شامل سرعت و جرم ضربه زننده بر روی بیشترین نیروی تماسی برخورد، بیشترین جابه جایی و بیشترین تنش فون میسز به صورت عددی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان دهنده این نکته است که اثرات سرعت ضربه زننده عامل مهم‌تری در افزایش وکاهش نیروی تماسی، جابه جایی، تنش فون میسز و زمان اعمال ضربه نسبت به جرم ضربه زننده است. در انتها نیز با مقایسه هسته‌های مختلف ارائه شده در این مقاله با یکدیگر، هسته آگزتیک برترین هسته از میان سایر هسته ها معرفی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

پنل‌های متا- ساندویچی

متاموادمکانیکی

روش المان محدود

ضربه سرعت پایین

20.1001.1.24767131.1401.8.2.7.7

عنوان مقاله English

Low velocity impact analysis of meta-sandwich panels with different cores

نویسندگان English

Mitra Ghavanloo

Ali Abdollahifar

Faculty of Naval Aviation, Malek- Ashtar University of Technology, Shiraz ,Iran

چکیده English

The bottom of floats and flying boat should be strong against impact loads such as low velocity impact despite being light weight. In this article, we will investigate the dynamic behavior of the structure of meta-sandwich panels with different cores under low velocity impact loading using analytical and numerical methods. Four different core samples including honeycomb, auxetic, square and triangular made of polylactic acid under impact, a hemispherical steel projectile with a radius of 15 mm with fixed boundary conditions have been investigated. The interaction between the impactor and the meta-sandwich panel has been modeled using a two-degree-of-freedom mass and spring system using finite element software such as ANSYS Workbench. The maximum impact contact force is also analytically and numerically compared with each other and the results show a good match between these two methods. Considering the importance of the effective parameters in the dynamic response of the sandwich panel structure, the effect of some parameters, including the velocity and mass of the impactor, on the maximum contact force, the maximum displacement and the maximum Von Mises stress were numerically investigated and evaluated. The results show that impactor velocity effects are a more important factor in increasing and decreasing contact force, displacement, Von Mises stress and impact time compared to impactor mass. In the end, by comparing the different cores presented in this article, the auxetic core is introduced as the best core among other cores.

کلیدواژه‌ها English

Meta-sandwich panels

mechanical metamaterials

finite element method

low velocity impact

[1] Yazdani Sarvestani H, Akbarzadeh A, Mirbolghasemi A, Hermenean K, 3D printed meta-sandwich structures: Failure mechanism, energy absorption and multi-hit capability. Materials & Design. 2018; 160: 179–193.

[2] Jiang L, Walczyk D, Mclntyre G, Bucinell R, Li B. Bioresin infused then cured mycelium-based sandwich-structure biocomposites: resin transfer molding (RTM) process, flexural properties, and simulation. Journal of Cleaner Production. 2019; 207: 123-135.

[3] Banerjee B. An introduction to metamaterials and waves in composites, Crc Press. 2011.

[4] Alex-Amor A, Palomares-Caballero Á, Molero C. 3-D metamaterials: Trends on applied designs, computational methods and fabrication techniques, Electronics. 2022; 11(3): 2-24.

[5] Li T, Wang L. Bending behavior of sandwich composite structures with tunable 3D-printe core materials, Composite Structures. 2017; 175: 46-57.

[6] Schaedler TA, Carter WB. Architected cellular materials. Annual Review of Materials Research. 2016 Jul 1;46(1):187-210.

[7] Topac OT, Gozluklu B, Gurses E, Coker D. Experimental and computational study of the damage process in CFRP composite beams under low-velocity impact. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2017 Jan 1;92:167-82.

[8] Cantwell WJ, Morton J. The impact resistance of composite materials—a review. composites. 1991 Sep 1;22(5):347-62.

[9] Karas K. Platten unter seitlichem Stoss. Ingenieur-Archiv. 1939 Aug;10(4):237-50.

[10] K. Marguerre. The optimum buckling load of a flexibly supported plate composed of two sheets joined by a light weight filler when under longitudinal compression, Deutsche Viertaljahrsschrift fur Literaturwissens-chaft und Giests Geschichte. DVL (ZWB UM1360/2) 1944.

[11] Sun CT, Chen JK. On the impact of initially stressed composite laminates, Journal of Composite materials, 1985; 194: 90-504.

[12] Castanié B, Bouvet C , Aminanda Y, Barrau J. J, Thévenet P. Modelling of low-energy/low-velocity impact on Nomex honeycomb sandwich structures with metallic skins, International Journal of Impact Engineering. 2008; 35(7): 620-634.

[13] Her SC, Liang YC.The finite element analysis of composite laminates and shell structures subjected to low velocity impact, Composite Structures. 2004; 66(1-4): 277-285.

[14] Fard KM, Khalili SM, Forooghy SH, Hosseini M. Low velocity transverse impact response of a composite sandwich plate subjected to a rigid blunted cylindrical impactor. Composites Part B: Engineering. 2014 Jul 1;63:111-22.

[15] Turner A. Low-velocity impact behavior of sandwich panels with 3D printed polymer core structures, Master of Science thesis, Wright State University Graduate School .2017.

[16] Yazdani Sarvestani H, Akbarzadeh A, Niknam H, Hermenean K. 3D Printed architected polymeric sandwich panels: Energy absorption and structural performance, Composite Structures. 2018; 200: 886-909.

[17] Hou S, Li T, Jia Z, Wang L. Mechanical properties of sandwich composites with 3d-printed auxetic non-auxetic lattice cores under low velocity impact, Materials and Design. 2018; 160: 1305–1321.

[18] Cheng Y, Liu K, Li Y, Wang, Z, & Wang J. Experimental and numerical simulation of dynamic response of U-type corrugated sandwich panels under low-velocity impact. Ocean Engineering. 2022; 245: 110492.

[19] Shafei E, Kabir M. Z. Analytical and numerical study of FRP retrofitted RC beams under low velocity impact, Scientia Iranica 2009; 16 (5): 415-428.

[20] Abrate S. Impact on composite structures, Cambridge: Cambridge University Press. 1998.

[21] Barati E, Vaziri MA, Yazdani MH. Numerical and experimental fatigue life estimation of airplane emergency door bracket in various mission profiles. Journal of Solid and Fluid Mechanics. 2018 Dec 22;8(4):143-52.

[22] Song M, Li X, Kitipornchai S, Bi Q, Yang J. Low-velocity impact response of geometrically nonlinear functionally graded graphene platelet-reinforced nanocomposite plates. Nonlinear Dynamics. 2019 Feb 28;95:2333-52.

[23] Chun LU, Lam KY. Dynamic response of fully-clamped laminated composite plates subjected to low-velocity impact of a mass, International journal of solids and structures. 1998; 35 (11): 963-979.