Análise de flexão de compósito de painel sanduíche com um re

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15796 (2022) Citar este artigo

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As estruturas de painel sanduíche têm sido amplamente utilizadas em diversas aplicações industriais devido às suas elevadas propriedades mecânicas. A camada intermediária dessas estruturas é um fator muito importante no controle e aprimoramento de seu desempenho mecânico sob vários cenários de carregamento. As configurações de rede reentrante são candidatas proeminentes que podem ser usadas como a camada intermediária em tais estruturas sanduíche devido a várias razões, a saber, a simplicidade em ajustar seus valores elásticos (por exemplo, coeficiente de Poisson e rigidez elástica) e plásticos (por exemplo, alta relação força-peso) propriedades apenas ajustando as características geométricas das células unitárias constituintes. Aqui, investigamos a resposta de uma placa sanduíche de três camadas com uma rede de núcleo 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 das células unitárias) de estruturas de rede reentrante no comportamento mecânico geral de estruturas sanduíche. Descobrimos que as estruturas de núcleo com comportamento auxético (ou seja, razão de Poisson negativa) resultaram em uma maior resistência à flexão e uma mínima tensão de cisalhamento fora do plano em comparação com aquelas com treliças convencionais. Nossos resultados podem abrir caminho para o projeto de estruturas sanduíche de engenharia avançada com redes de núcleo arquitetadas para aplicações aeroespaciais e biomédicas.

As estruturas sanduíche têm sido amplamente utilizadas em muitas indústrias, como projetos de máquinas e equipamentos esportivos, marinha, aeroespacial e engenharia biomédica devido à sua alta resistência e propriedades de baixo peso. As estruturas de treliça reentrantes estão entre os potenciais candidatos a serem consideradas como uma camada central em tais estruturas compostas devido à sua excelente capacidade de absorção de energia e alta resistência às propriedades de peso1,2,3. 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 treliçadas reentrantes extremamente populares, únicas e adequadas para os projetos de painéis sanduíche é a capacidade de ajustar suas propriedades mecânicas elásticas (ou seja, rigidez elástica e razão de Poisson) independentemente, simplesmente ajustando suas geometrias microestruturais em escala menor. Entre essas propriedades interessantes está o comportamento auxético (ou razão de Poisson negativa) que se refere a uma expansão transversal das estruturas treliçadas, quando alongadas longitudinalmente6. Esse comportamento incomum tem origem no desenho microestrutural de suas células unitárias constituintes7,8,9.

Após estudos iniciais de Lakes sobre a produção de espumas auxéticas, esforços significativos têm sido feitos para projetar estruturas porosas com valores negativos do coeficiente de Poisson10,11. Com esse objetivo, vários projetos geométricos foram propostos, como células unitárias rotativas quirais, semi-rígidas e rígidas12, 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 têm maior resistência ao 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 dinâmico-mecânicas das espumas auxéticas, elas apresentaram maior resiliência sob cargas dinâmicas de esmagamento e maior capacidade de alongamento sob estiramento puro15. Além disso, a utilização de fibras auxéticas como reforço em compósitos resultaria no aumento de suas propriedades mecânicas16 e de sua resistência aos danos decorrentes dos alongamentos das fibras17.