Οι σύνθετες δομές τύπου sandwich (sandwich panel) έχουν εξαιρετικές ιδιότητες και
χρησιμοποιούνται ευρέως στους τομείς υψηλής τεχνολογίας όπως στις κατασκευές, την
αεροναυπηγική, την αυτοκινητοβιομηχανία κλπ. Η έρευνα και η μελέτη των μηχανικών
ιδιοτήτων των σύνθετων δομών τύπου sandwich διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον
προσδιορισμό της δυνατότητας εφαρμογής τους σε διάφορα πεδία της εφαρμοσμένης
μηχανικής και των κατασκευών.
H εργασία αυτή επικεντρώνεται στην αναλυτική περιγραφή και μελέτη της δομής
πάνελ τύπου sandwich με κυψελοειδή πυρήνα. Αρχικά περιγράφονται οι σύνθετες δομές
τύπου sandwich και στη συνέχεια η μελέτη επικεντρώνεται ιδιαίτερα σε δομές με δισδιάστατο
κυψελοειδή πυρήνα.
Οι μέθοδοι κατασκευής κυψελοειδών πυρήνων, τα υλικά, η διαμόρφωση των κελιών ή
αφρών, η ορολογία και οι χρήσεις αναλύονται στη συνέχεια. Αναλύονται ακόμα οι τρόποι
αστοχίας που παρουσιάζονται καθώς και οι τυποποιημένοι τύποι σχεδίασης.
Στην απλούστερη μορφή του, μία δομή τύπου sandwich, η οποία είναι μια ειδική
μορφή σύνθετων υλικών, αποτελείται από δύο λεπτά δύσκαμπτα εξωτερικά στρώματα και ένα
πυκνό ελαφρύ πυρήνα συνδεδεμένα μεταξύ τους. Μια δομή τύπου sandwich προσφέρει
διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες με τη χρήση διαφορετικών τύπων υλικών, επειδή η
συνολική απόδοση των δομών αυτών εξαρτάται από τις ιδιότητες των συστατικών τους
(Daniel 2008). Ως εκ τούτου, η βέλτιστη επιλογή υλικού λαμβάνεται συχνά σύμφωνα με τις
ανάγκες σχεδιασμού.
Σε μια τέτοια δομή, γενικά τα φορτία κάμψης μεταφέρονται από το ζεύγος δυνάμεων
που σχηματίζεται από τα εξωτερικά στρώματα (όψεις ή φύλλα προσώπου) και τα φορτία
διάτμησης μεταφέρονται από το ελαφρύ υλικό του πυρήνα. Τα εξωτερικά στρώματα είναι
ισχυρά και δύσκαμπτα τόσο σε εφελκυσμό όσο και σε θλίψη σε σύγκριση με το υλικό
χαμηλής πυκνότητας του πυρήνα (π.χ. κυψελοειδές με εξαγωνικά κελιά ή αφρώδες υλικό) του
οποίου πρωταρχικός σκοπός είναι να διατηρεί υψηλή ροπή αδράνειας στο σύνθετο υλικό. Η
χαμηλή πυκνότητα του υλικού του πυρήνα έχει σαν αποτέλεσμα τη χαμηλή πυκνότητα του
σύνθετου υλικού, με αποτέλεσμα τα υλικά τύπου sandwich να έχουν υψηλές ειδικές
μηχανικές ιδιότητες σε φορτία κάμψης σε σχέση με τις συμπαγείς δομές. Κατά συνέπεια τα
υλικά αυτά είναι εξαιρετικά αποδοτικά για τη μεταφορά φορτίων κάμψης. Στα προβλήματα
κάμψης το ένα εξωτερικό στρώμα είναι υπό θλίψη και το άλλο υπό εφελκυσμό, ενώ, ο
πυρήνας αντιστέκεται στις εγκάρσιες δυνάμεις και σταθεροποιεί τα εξωτερικά στρώματα έναντι του τοπικού και ολικού λυγισμού (Glenn and Hyer 2005). Επιπρόσθετα, ο πυρήνας
παρέχει αυξημένη αντίσταση στο λυγισμό και την ολική αστοχία σε διατμητικές και
συμπιεστικές φορτίσεις (Smith and Shivakumar 2001).
Οι κρίσιμες ιδιότητες των δομών τύπου sandwich ποικίλλουν ανάλογα με την περιοχή
εφαρμογής της κατασκευής. Για παράδειγμα στην αυτοκινητοβιομηχανία οι εκτός επιπέδου
(out of plane) θλιπτικές ιδιότητες είναι πιο κρίσιμες, ενώ στην κατασκευή ανεμογεννητριών
οι εντός του επιπέδου (in plane) θλιπτικές ιδιότητες είναι πιο σημαντικές. Επομένως, ανάλογα
με την περιοχή εφαρμογής, απαιτούνται διαφορετικές ιδιότητες ή χαρακτηριστικά των υλικών
τύπου sandwich (Davies, et al., 2004).
Στο κεφάλαιο 1 και 2 περιγράφονται τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες των υλικών
που χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτές τις σύνθετες δομές καθώς και ο τρόπος παρασκευής
τους (υλικά εξωτερικών στρωμάτων, πορώδης πυρήνας, συγκολλητικά υλικά). Για την σωστή
επιλογή των υλικών και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των πυρήνων που περιέχονται
στις δομές αυτές, σύμφωνα με τις προδιαγραφές σχεδιασμού, στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται
τεχνικές υπολογισμού των μηχανικών ιδιοτήτων, με σκοπό τον προσδιορισμό της
συμπεριφοράς των δομών πριν την κατασκευή των πραγματικών τμημάτων. Στο κεφάλαιο 4
αναλύονται τρόποι σχεδιασμού και υπολογισμού των εντατικών μεγεθών δομών τύπου
sandwich και στο κεφάλαιο 5 χρησιμοποιώντας κατάλληλη υπολογιστική εφαρμογή που
αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας, μοντελοποιούνται οι φυσικές ιδιότητες και τα
γεωμετρικά χαρακτηριστικά των υλικών της σύνθετης δομής χρησιμοποιώντας τις αναλυτικές
μαθηματικές μεθόδους των κεφαλαίων 3 και 4. Με βάση αυτά, παρουσιάζονται παραδείγματα
βέλτιστου σχεδιασμού σύνθετων δομών με βάση τις προϋποθέσεις και τους περιορισμούς της
κατασκευής και γίνεται ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών μηχανικών μεγεθών τους.
(EL)
Composite sandwich structures have excellent properties and they are widely used in
the fields of high technology such as aeronautics and astronautics, civil engineering, etc.
Investigations of the mechanical properties of composite sandwich structures play a vital role
in determining their applicability in various engineering fields.
This paper describes in detail a sandwich panel with porous core (solid cell). First the
study describes the sandwich-type composite structures and then it focus on structures with
honeycomb cores.
The methods of making cell solids, materials, cell or foam formation, terminology and
uses are discussed below. The basic concepts of honeycomb sandwiches, the failure modes
presented, and standard design types are analyzed.
In its simplest form a structural sandwich, which is a special form of laminated
composites, is composed of two thin stiff facesheets and a thick lightweight core bonded
between them. A sandwich structure will offer different mechanical properties with the use of
different types of materials because the overall performance of sandwich structures depends
on the properties of the constituents (Daniel 2008). Hence, optimum material choice is often
obtained according to the design needs.
In a sandwich structure generally the bending loads are carried by the force couple
formed by the facesheets and the shear loads are carried by the lightweight core material
(Nguyen, et al. 2005). The facesheets are strong and stiff both in tension and compression as
compared to the low density core material (etc. honeycomb or foam) whose primary purpose
is to maintain a high moment of inertia. The low density of the core material results in low
panel density, therefore under flexural loading sandwich panels have high specific mechanical
properties relative to the monocoque structures. Therefore, sandwich panels are highly
efficient in carrying bending loads. In these bending problems one facesheet is under
compression and the other under tension. On the other hand, the core resists transverse forces
and stabilizes the laminates against global buckling and local buckling (Glenn and Hyer
2005). Additionally, the core providew increased buckling and crippling resistance to shear
panels and compression members (Smith and Shivakumar 2001).
The critical properties of sandwich structures vary according to the application area of
the structure. In automotive industry for example the out of plane compressive properties are
more critical, whereas in wind turbines the in plane compressive properties are more important. Therefore, depending on the application area, different properties or characteristics
of sandwich panels are needed to be evaluated (Davies, et al. 2004).
Chapters 1 and 2 give us general characteristics of the properties of the composite
materials and how they are prepared (facesheets materials, porous core of sandwich structures,
adhesives). In order to select the correct selection of the material and geometrical
characteristics of the cores contained in the sandwich structures according to the design
specifications, we analyze techniques (Chapter 3) of their mechanical properties to determine
the behavior of the structures so that they can be observed before from the construction of real
parts. In Chapter 4 we analyze how to design and calculate intensive sizes of sandwich
structures, and in Chapter 5, using the excel accounting software, we model the physical
properties and geometrical properties of the materials that make up the composite structure
and using the mathematical equations of chapters 3 and 4. On this basis, examples of optimal
design of complex structures based on the conditions and limitations of the construction are
presented and their characteristic mechanical sizes are determined.
(EN)
University of Ioannina
