Análise de flexão de painel sanduíche compósito com resistência

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15796 (2022) Citar este artigo

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As estruturas de painéis sanduíche têm sido amplamente utilizadas em muitas aplicações industriais devido às suas elevadas propriedades mecânicas. A camada intermediária destas estruturas é um fator muito importante no controle e melhoria do seu desempenho mecânico sob vários cenários de carregamento. As configurações de rede reentrante são candidatas proeminentes que podem ser usadas como camada intermediária em tais estruturas sanduíche devido a várias razões, nomeadamente a simplicidade no ajuste dos seus valores elásticos (por exemplo, valores do coeficiente de Poisson e rigidez elástica) e plásticos (por exemplo, alta relação resistência-peso) ajustando apenas as características geométricas das células unitárias constituintes. Aqui, investigamos a resposta de uma placa sanduíche de três camadas com uma rede central reentrante sob flexão usando testes analíticos (ou seja, teoria do zig-zag), computacionais (ou seja, elementos finitos) e experimentais. Também analisamos os efeitos de diferentes parâmetros geométricos (por exemplo, ângulo, espessura e relação entre comprimento e altura de células unitárias) de estruturas reticuladas reentrantes no comportamento mecânico geral de estruturas sanduíche. Descobrimos que as estruturas do núcleo com comportamento auxético (isto é, coeficiente de Poisson negativo) resultaram em uma maior resistência à flexão e uma tensão de cisalhamento fora do plano mínima em comparação com aquelas com treliças convencionais. Nossos resultados podem abrir caminho para o projeto de estruturas sanduíche de engenharia avançada com redes centrais arquitetadas para aplicações aeroespaciais e biomédicas.

As estruturas sanduíche têm sido amplamente utilizadas em muitas indústrias, como projetos de máquinas e equipamentos esportivos, engenharia naval, aeroespacial e biomédica devido às suas propriedades de alta resistência e baixo peso. As estruturas reticuladas reentrantes estão entre os candidatos potenciais a serem considerados como uma camada central em tais estruturas compósitas devido à sua excelente capacidade de absorção de energia e alta resistência às propriedades de peso . Esforços significativos foram feitos no passado para projetar estruturas sanduíche leves com redes reentrantes para obter propriedades mecânicas ainda mais aprimoradas. Exemplos dessas estruturas são cargas de alta pressão em cascos de navios e amortecedores em automóveis4,5. O que torna as estruturas reticuladas reentrantes extremamente populares, únicas e adequadas para os projetos de painéis sanduíche é a capacidade de ajustar suas propriedades mecânicas elásticas (isto é, rigidez elástica e índice de Poisson) de forma independente, simplesmente ajustando suas geometrias microestruturais em menor escala. Entre essas propriedades interessantes está o comportamento auxético (ou coeficiente de Poisson negativo) que se refere a uma expansão transversal das estruturas treliçadas, quando elas são alongadas longitudinalmente6. Esse comportamento incomum tem origem no desenho microestrutural das células unitárias que as constituem7,8,9.

Após estudos iniciais de Lakes sobre a produção de espumas auxéticas, esforços significativos foram feitos para projetar estruturas porosas com valores negativos do índice de Poisson10,11. Para esse fim, vários desenhos geométricos foram propostos, como células unitárias rotativas quirais, semirrígidas e rígidas, todas exibindo comportamento auxético. O advento das técnicas de manufatura aditiva (AM, também conhecida como impressão 3D) também ajudou na realização dessas estruturas auxéticas 2D ou 3D13.

O comportamento auxético oferece propriedades mecânicas únicas. Por exemplo, Lakes e Elms14 mostraram que as espumas auxéticas apresentam maiores limites de escoamento, maior capacidade de absorção de energia contra a carga de impacto e menores propriedades de rigidez em comparação com as espumas convencionais. No que diz respeito às propriedades mecânicas dinâmicas das espumas auxéticas, estas apresentaram maior resiliência sob cargas dinâmicas de esmagamento e maior capacidade de alongamento sob o estiramento puro15. Além disso, a utilização de fibras auxéticas como reforço em compósitos resultaria na melhoria de suas propriedades mecânicas16 e na sua resistência aos danos originados pelos alongamentos das fibras17.