مطالعه تجربی تأثیر ساختار هسته بر عملکرد خمشی تیر‌های ساندویچی پلیمری

موسوی, سید علی; صبوری, هادی; شکراللهی, حسن

doi:10.22034/jtae.2025.10.2.3

مطالعه تجربی تأثیر ساختار هسته بر عملکرد خمشی تیر‌های ساندویچی پلیمری

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

سید علی موسوی ¹

هادی صبوری ²

حسن شکراللهی ³

¹ دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

² گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی،تهران

³ گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

10.22034/jtae.2025.10.2.3

چکیده

پنل‌های ساندویچی کامپوزیتی به دلیل خواص خاص مکانیکی از جمله نسبت بالای استحکام به وزن، پتانسیل بالایی برای استفاده در سازه‌های سبک هوافضایی دارند. در این پژوهش، تأثیر تغییر ساختار و ضخامت هسته بر عملکرد سازه‌ای این پنل‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. پنل ساندویچی شامل هسته‌ای از جنس پلی‌آمید با ساختار لانه‌زنبوری، آگزتیک ری-اینترنت و آگزتیک سینوسی و رویه‌ای کامپوزیتی با الیاف شیشه و رزین پلی‌آمید می‌باشد. آزمون خمش سه‌نقطه‌ای انجام شده و تأثیر ضخامت هسته بر استحکام خمشی، تحمل بار و میزان جابجایی تا قبل از شکست بررسی گردیده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش ضخامت هسته تأثیر مستقیمی بر افزایش ظرفیت تحمل بار و تقویت استحکام خمشی سازه دارد. در بین ساختارهای مورد بررسی، تیر دارای هسته آگزتیک سینوسی بالاترین ظرفیت تحمل بار را نشان داده است. به علاوه با افزایش ضخامت این نوع هسته‌ها از 5/1 به 5/2 میلی‌متر، حداکثر نیروی تحمل‌شده تا 36% افزایش یافته است. در مقابل، ساختار لانه زنبوری بیشترین میزان جابجایی الاستیک را ارائه داده که نشان‌دهنده نرمی بالاتر این ساختار است. همچنین، افزایش ضخامت در ساختار آگزتیک ری-اینترنت، بیشترین تأثیر را در بهبود استحکام خمشی نشان داده، اما میزان افزایش تحمل بار در این ساختار نسبت به دو ساختار دیگر کمتر بوده است. مقایسه شاخص‌های بار به جرم و انرژی جذب‌شده نشان داد که هندسه هسته و ضخامت دیواره سلول هر دو اثر قابل‌توجهی بر عملکرد مکانیکی سازه‌های ساندویچی دارند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز نشان‌دهنده گسیختگی ترد در هسته‌ها بود.

کلیدواژه‌ها

سازه ساندویچی

کامپوزیت

قابل بازیافت

الیاف شیشه

ساختار آگزتیک

موضوعات

سازه‌/مکانیک جامدات/دینامیک جامدات/ارتعاشات/آئروالاستیسیته/...

عنوان مقاله English

Experimental Investigation of Core Structure Effects on the Flexural Performance of Polymeric Sandwich Beams

نویسندگان English

Seyed Ali Mousavi ¹

Hadi Sabouri ²

Hassan Shokrollahi ³

¹ Kharazmi University, Tehran, Iran

² Department of Mechanical Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran

³ Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran

چکیده English

Composite sandwich panels, due to their unique mechanical properties such as high strength-to-weight ratio, possess significant potential for use in lightweight aerospace structures. In this study, the effect of core structure and thickness variation on the structural performance of these panels is investigated. The structure consists of a polyamide core with honeycomb, re-entrant auxetic, and sinusoidal auxetic patterns, and composite face sheets made of glass fibers and polyamide resin. Three-point bending tests were conducted to examine the influence of core thickness on flexural strength, load-bearing capacity, and displacement prior to failure. The results indicate that increasing the core thickness directly enhances the load-bearing capacity and flexural strength of the structure. Among the configurations studied, the beam with a sinusoidal auxetic core exhibited the highest load-bearing capacity, such that increasing the thickness from 1.5 mm to 2.5 mm led to a 36% rise in the maximum load endured. In contrast, the honeycomb structure showed the highest elastic displacement, indicating greater flexibility of this core. Furthermore, the increase in thickness in the re-entrant auxetic structure had the most significant effect on improving flexural strength, although the load-bearing enhancement was lower compared to the other two configurations. A comparison of load-to-mass and absorbed energy indices revealed that both core geometry and cell wall thickness have substantial effects on the mechanical performance of sandwich structures. Scanning electron microscope (SEM) images also revealed brittle fracture in the cores.

کلیدواژه‌ها English

Sandwich structure

Composite

Recyclable

Glass fibers

Auxetic structure

[1] V. Matta, J. Suresh Kumar, D. Venkataraviteja, and G. B. K. Reddy, "Flexural Behavior of Aluminum Honeycomb Core Sandwich Structure," IOP Conf Ser Mater Sci Eng, vol. 197, no. 1, 2017, https://doi.org/10.1088/1757-899X/197/1/012046.[2] Z. Chen, J. Li, B. Wu, X. Chen, and Y. Min Xie, "Enhanced mechanical properties of re-entrant auxetic honeycomb with self-similar inclusion," Compos Struct, vol. 331, p. 117921, 2024, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.117921.[3] B. CASTANIE, C. BOUVET, and M. Ginot, "Review of composite sandwich structure in aeronautic applications," Composites Part C: Open Access, vol. 1, p. 100004, 2020, https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2020.100004.[4] M. Alphonse, V. K. Bupesh Raja, V. Gopala Krishna, R. S. U. Kiran, B. V. Subbaiah, and L. V. R. Chandra, "Mechanical behavior of sandwich structures with varying core material - A review," Mater Today Proc, vol. 44, pp. 3751–3759, 2021, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.722.[5] H. Malekinejadbahabadi, A. Farrokhabadi, G. H. Rahimi, and A. Nazerigivi, "Effect of core shape on debonding failure of composite sandwich panels with foam-filled corrugated core," Steel and Composite Structures, vol. 45, no. 3, pp. 467–482, 2022, https://doi.org/10.12989/scs.2022.45.3.467.[6] F. Xia, P. J. Tan, and D. Ruan, "Failure mechanisms of corrugated sandwich panels under transverse three-point bending," Journal of Sandwich Structures and Materials, vol. 24, no. 4, pp. 1808–1827, 2022, https://doi.org/10.1177/10996362221086517.[7] S. M. N. Shirvani, M. Gholami, H. Afrasiab, and R. A. J. Talookolaei, "Optimal Design of a Composite Sandwich Panel with a Hexagonal Honeycomb Core for Aerospace Applications," Iranian Journal of Science and Technology - Transactions of Mechanical Engineering, vol. 47, no. 2, pp. 557–568, 2023, https://doi.org/10.1007/s40997-022-00520-1.[8] S. A. Mousavi, H. Shokrollahi, and H. Sabouri, "Flexural Behavior Assessment of An Eco-Friendly Thermoplastic Composite Sandwich Beam with Recyclable Core and Faces," vol. 16, no. 4, pp. 449–466, 2024, https://doi.org/10.60664/jsm.2024.1130323.[9] S. A. Mousavi and H. Shokrollahi, "Investigation of Free Vibrations of Recyclable Composite Sandwich Panels with Different Core Structures," The 14th International Conference on Acoustics and Vibration, Karaj, Iran, 2024, (In Persian).[10] I. M. Daniel, E. E. Gdoutos, K. A. Wang, and J. L. Abot, "Failure modes of composite sandwich beams," International Journal of Damage Mechanics, vol. 11, no. 4, pp. 309–334, 2002, https://doi.org/10.1106/105678902027247.[11] U. Farooq, M. S. Ahmad, S. A. Rakha, N. Ali, A. A. Khurram, and T. Subhani, "Interfacial Mechanical Performance of Composite Honeycomb Sandwich Panels for Aerospace Applications," Arab J Sci Eng, vol. 42, no. 5, pp. 1775–1782, 2017, https://doi.org/10.1007/s13369-016-2307-z.[12] X. Chen, "Fractographic analysis of sandwich panels in a composite wind turbine blade using optical microscopy and X-ray computed tomography," The Engineering Failure Analysis journal, vol. 111, p. 104475, 2020, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104475.[13] K. Wang, C. Yu, W. Liu, R. Huo, H. Fang, and X. Chen," Study on flexural property of glass fiber-reinforced polymer reinforced wood–plastic composite panels," Wood Mater Sci Eng, vol. 20, no. 3, pp. 478–487, 2025, https://doi.org/10.1080/17480272.2024.2355554.[14] H. Xie et al., "Flexural behavior evaluation of a foam core curved sandwich beam," Compos Struct, vol. 328, p. 117729, 2024, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117729.[15] R. Maboodi, H. Shokrollahi, and M. Esmaeili, "Flutter analysis of a CNT-reinforced composite beam carrying an attached mass in the supersonic flow," Journal of Technology in Aerospace Engineering, vol. 7, no. 1, pp. 59–69, 2023, (In Persian), https://doi.org/10.30699/jtae.2023.7.1.6.[16] S. Tarhani, M. K. Khorramabadi, S. Tarhani, and M. K. Khorramabadi, "Experimental and Analytical Investigation of Impact Strength of Functionally Graded Epoxy/Graphene Nanocomposite," Journal of Technology in Aerospace Engineering, vol. 8, no. 2, pp. 45–54, 2024, (In Persian), https://doi.org/10.22034/jtae.2024.8.2.4.