재를 이용한 샌드위치 패널 복합재의 굽힘 해석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15796(2022) 이 기사 인용

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샌드위치 패널 구조는 높은 기계적 특성으로 인해 많은 산업 분야에서 널리 사용되었습니다. 이러한 구조의 중간층은 다양한 하중 시나리오에서 기계적 성능을 제어하고 향상시키는 데 매우 중요한 요소입니다. 요각 격자 구성은 여러 가지 이유, 즉 탄성(예: 푸아송 비 및 탄성 강성 값) 및 플라스틱(예: 높은 값) 조정의 단순성으로 인해 이러한 샌드위치 구조에서 중간층으로 사용할 수 있는 주요 후보입니다. 구성하는 단위 셀의 기하학적 특징만을 조정하여 강도 대 중량비) 특성을 조정합니다. 여기에서는 분석(즉, 지그재그 이론), 계산(즉, 유한 요소) 및 실험 테스트를 사용하여 굽힘 굽힘 하에서 요각 코어 격자가 있는 3층 샌드위치 플레이트의 응답을 조사했습니다. 또한 샌드위치 구조의 전반적인 기계적 거동에 대한 요각 격자 구조의 다양한 기하학적 매개변수(예: 각도, 두께, 단위 셀의 높이에 대한 길이 비율)의 영향을 분석했습니다. 우리는 팽창 거동(즉, 음의 포아송 비)을 갖는 코어 구조가 기존 격자를 사용하는 구조에 비해 굽힘 강도가 더 높고 평면 외 전단 응력이 최소라는 것을 발견했습니다. 우리의 결과는 항공우주 및 생물의학 응용 분야를 위해 설계된 코어 격자를 사용하여 고급 엔지니어링 샌드위치 구조를 설계하는 데 길을 열 수 있습니다.

샌드위치 구조는 높은 강도와 ​​낮은 중량 특성으로 인해 기계 및 스포츠 장비 설계, 해양, 항공우주 및 생체의학 공학과 같은 많은 산업 분야에서 널리 사용되었습니다. 요각 격자 구조는 우수한 에너지 흡수 능력과 높은 강도 대 중량 특성으로 인해 이러한 복합 구조의 코어 층으로 간주될 수 있는 잠재적 후보 중 하나입니다. 과거에는 더욱 향상된 기계적 특성을 얻기 위해 요각 격자를 사용하여 경량 샌드위치 구조를 설계하려는 상당한 노력이 이루어졌습니다. 이러한 구조의 예로는 선박 선체의 고압 하중 및 자동차의 충격 흡수 장치가 있습니다4,5. 요각 격자 구조가 샌드위치 패널 설계에 매우 인기 있고 독특하며 적합한 이유는 더 작은 규모에서 미세 구조 형상을 간단히 조정하여 탄성 기계적 특성(즉, 탄성 강성과 포아송 비)을 독립적으로 조정할 수 있다는 것입니다. 이러한 흥미로운 특성 중에는 세로 방향으로 늘어날 때 격자 구조의 가로 확장을 나타내는 보조적 거동(또는 음의 포아송 비)이 있습니다. 이 특이한 동작은 구성 단위 셀7,8,9의 미세 구조 설계에서 비롯됩니다.

팽창 폼의 생산에 대한 Lakes의 초기 연구 이후, 포아송 비(Poisson's ratio)의 음수 값을 갖는 다공성 구조를 설계하기 위한 상당한 노력이 이루어졌습니다10,11. 이 목적을 위해 키랄, 반강체 및 강체 회전 단위 셀12과 같은 여러 기하학적 설계가 제안되었으며 모두 팽창 거동을 나타냅니다. 적층 제조(AM, 3D 프린팅이라고도 함) 기술의 출현은 이러한 2D 또는 3D 팽창 구조13의 실현에도 도움이 되었습니다.

팽창 거동은 독특한 기계적 특성을 제공합니다. 예를 들어, Lakes와 Elms14는 팽창 폼이 기존 폼에 비해 더 높은 항복 강도, 충격 하중에 대한 더 높은 에너지 흡수 용량, 더 낮은 강성 특성을 가지고 있음을 보여주었습니다. 팽창폼의 동적 기계적 특성에 관한 한, 동적 파쇄 하중 하에서 더 높은 탄력성과 순수 연신 하에서 더 높은 신장 능력을 나타냈습니다15. 또한, 복합재의 보강재로 팽창 섬유를 사용하면 기계적 특성16과 섬유 신장으로 인한 손상에 대한 저항성이 향상됩니다17.