再解析によるサンドイッチパネル複合材の曲げ解析

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15796 (2022) この記事を引用

2338 アクセス

7 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

サンドイッチ パネル構造は、その高い機械的特性により、多くの産業用途で広く使用されています。 これらの構造の中間層は、さまざまな荷重シナリオの下で機械的性能を制御および強化する上で非常に重要な要素です。 再入格子構造は、そのようなサンドイッチ構造の中間層として使用できる有力な候補です。その理由はいくつかあります。その理由は、弾性 (ポアソン比や弾性剛性の値など) と可塑性 (たとえば、高い弾性剛性) の調整が簡単であるためです。構成する単位セルの幾何学的特徴を調整するだけで、強度対重量比) の特性を実現できます。 ここでは、解析的 (つまり、ジグザグ理論)、計算的 (つまり、有限要素) および実験的テストを使用して、曲げ曲げ下での凹角コア格子を備えた 3 層サンドイッチ プレートの応答を調査しました。 また、サンドイッチ構造の全体的な機械的挙動に対するリエントラント格子構造のさまざまな幾何学的パラメータ（角度、厚さ、ユニットセルの長さと高さの比など）の影響も分析しました。 オーゼティックな挙動（すなわち、負のポアソン比）を有するコア構造は、従来の格子を有するコア構造と比較して、より高い曲げ強度と最小の面外せん断応力をもたらすことを我々は発見した。 私たちの結果は、航空宇宙および生物医学用途向けに、設計されたコア格子を備えた高度なエンジニアリングサンドイッチ構造の設計に道を開く可能性があります。

サンドイッチ構造は、その高強度と軽量特性により、機械およびスポーツ機器の設計、海洋、航空宇宙、生体医工学などの多くの業界で広く使用されています。 凹角格子構造は、優れたエネルギー吸収能力と重量に対する強度特性が高いため、このような複合構造のコア層として考慮される潜在的な候補の 1 つです 1、2、3。 機械的特性をさらに改善するために、凹角格子を備えた軽量サンドイッチ構造を設計するために、これまで多大な努力がなされてきました。 これらの構造の例としては、船体の高圧荷重や自動車のショックアブソーバーなどが挙げられます4,5。 リエントラント格子構造が非常に人気があり、ユニークであり、サンドイッチ パネルの設計に適している理由は、より小さなスケールで微細構造の幾何学形状を調整するだけで、その弾性機械的特性 (つまり、弾性剛性とポアソン比) を独立して調整できる機能です。 これらの興味深い特性の中には、格子構造が縦方向に引き伸ばされたときの横方向の拡張を指すオーゼティック挙動 (または負のポアソン比) があります。 この異常な挙動は、それらを構成する単位セルの微細構造設計に由来します7、8、9。

オーゼティックフォームの製造に関するレイクスによる最初の研究の後、負の値のポアソン比を持つ多孔質構造を設計するために多大な努力が払われてきました10,11。 この目的に向けて、キラル、半剛体、剛体の回転単位セル 12 など、いくつかの幾何学的設計が提案されており、そのすべてがオーゼティックな挙動を示します。 積層造形 (AM、3D プリンティングとも呼ばれる) 技術の出現も、これらの 2D または 3D オーゼティック構造の実現に役立ちました 13。

オーゼティックな挙動により、独特の機械的特性が得られます。 例えば、Lakes と Elms 14 は、オーゼティックフォームは従来のフォームと比較して、降伏強度が高く、衝撃荷重に対するエネルギー吸収能力が高く、剛性特性が低いことを示しました。 オーゼティックフォームの動的機械的特性に関する限り、動的破砕荷重下ではより高い弾性を示し、純粋な伸張下ではより高い伸び能力を示しました15。 さらに、複合材料の強化材としてオーゼチック繊維を使用すると、その機械的特性 16 と繊維の伸びによる損傷に対する耐性 17 が向上します。