بررسي تحليلي - تجربي رفتار نفوذ بر صفحه ساندويچي با هسته اسفنجي و ورق‌هاي رويه كامپوزيتي

Analytical/Empirical Study on Indentation Behavior of Sandwich Plate with Foam Core and Composite Face Sheets

در اين مقاله، قانون تماس بين ورق ساندويچي با هسته اسفنجي انعطاف‌پذير و رويه كامپوزيتي با سمبه نيم‌كروي صلب با استفاده از روش تحليلي- تجربي بررسي شد. به‌طور كلي، رابطه بين تغييرشكل و بار وارد شده به سازه به‌وسيله جسم خارجي، قانون تماس يا نفوذ ناميده مي‌شود. در سازه‌هاي ساندويچي با توجه به انعطاف‌پذيري هسته و تفاوت زياد مدول كشساني بين رويه و هسته، به‌دست آوردن توزيع نيروي حاصل از تماس سمبه پيچيدگي‌هاي فراواني دارد. در روش حاضر، با درنظرگرفتن رابطه تواني بين نيروي وارد شده به سازه و مقدار نفوذ سمبه، به همراه استفاده از نتايج تجربي حاصل از آزمون نفوذ بر سازه ساندويچي، توزيع نيرو محاسبه شده است. با توجه به توزيع نيروي به‌دست آمده و استفاده از حل مرتبه بالاي سازه‌هاي ساندويچي، تغييرشكل ورق ساندويچي زير بارگذاري ايستا (خمش) محاسبه شد. در اين حل، رويه‌ها براساس فرض‌هاي نظري مرتبه اول برشي و هسته به شكل جسم سه‌بعدي كه مي‌تواند در راستاي ضخامت فشرده شود، مدل‌سازي شدند. در بخش تجربي، ابتدا آزمون نفوذ و سپس آزمون خمش روي نمونه‌ها انجام شد. در آزمون نفوذ، نمونه‌ها با قرارگرفتن روي تكيه‌گاه صلب، بارگذاري شدند تا سازه تغييرشكل كلي نداشته باشد و مقدار جابه‌جايي نوك سمبه برابر با مقدار نفوذ باشد. در آزمون خمش، شرايط مرزي تكيه‌گاه ساده درنظر گرفته شد و نيرو به‌وسيله سمبه‌اي صلب نيم‌كروي در وسط ورق وارد شد. نمونه‌هاي ساندويچي بررسي ‌شده داراي رويه‌هاي از جنس كامپوزيت شيشه-اپوكسي و هسته از جنس‌ اسفنج استيرن-آكريلونيتريل بودند. مقايسه نتايج تحليلي و تجربي نشان داد، استفاده از توزيع نيروي به‌دست آمده مي‌تواند موجب افزايش قابل توجه دقت پيش‌بيني نتايج براي محاسبه تغييرشكل سازه ساندويچي با هسته انعطاف‌پذير تحت بارگذاري ايستا شود.

Sandwich structures are widely used in aerospace, automobile, high speed train and civil applications. Sandwich structures consist of two thin and stiff skins and a thick and light weight core. In this study, the obligatory mandate of a sandwich plate contact constitutes a flexible foam core and composite skins with a hemispherical rigid punch has been studied by an analytical/empirical method. In sandwich structures, calculation of force distribution under the punch nose is complicated, because the core is flexible and the difference between the modulus of elasticity of skin and core is large. In the present study, an exponential correlation between the contact force and indentation is proposed. The coefficient and numerical exponent were calculated using the experimental indentation results. A model based on a high-order sandwich panel theory was used to study the bending behavior of sandwich plate under hemispherical punch load. In the first method, the force distribution under the punch nose was calculated by the proposed method and multiplied to deformation of related point in the loading area to calculate the potential energy of the external loads. In the second method, the punch load was modeled as a point force and multiplied to deformation of maximum indented point. The results obtained from the two methods were compared with the experimental results. Indentation and bending tests were carried out on sandwich plates with glass/epoxy skins and a styrene/acrylonitrile foam core. In the bending test, a simply support condition was set and in the indentation test the sandwich specimens were put on a rigid support. Indeed, in this position the punch movement was equal the indentation. The comparison between the analytical and experimental results showed that the proposed method significantly improved the accuracy of analysis.