Details

Работа посвящена исследованию трехслойных сэндвич-панелей с сотовым заполнителем, изготовленных комбинированным методом: аддитивное производство и автоматизированной выкладки. Актуальной работы обусловлена необходимостью создания легких и жестких конструкций, а также потребностью в эффективных методах гомогенизации механических характеристик для численного моделирования таких панелей. В ходе литературного обзора рассмотрены свойства полимеров и полимерных композиционных материалов, особенности конструкций с сотовым заполнителем, современные аддитивные технологии и технология автоматизированной выкладки ленты. Особое внимание уделено подходам к гомогенизации сотовых структур и валидации конечно-элементных моделей. Экспериментальная часть включала изготовление трех наборов образцов из филамента PA6+CF30, отличающихся относительной плотностью заполнителя. Несущие слои формовались методам LAFP из ленты на основе полиамида 6 с непрерывным углеродным волокном. Испытания на трехточечный изгиб, проводившиеся по стандарту ASTM C393/C393M, показали, что с ростом относительной плотности заполнителя возрастает предельная нагрузка и кажущаяся прочность сдвига панели, однако снижается предельная деформация. Основной механизм разрушения – отслоение несущего слоя. Для численного моделирования в среде Ansys Mechanical APDL разработана конечно-элементная модель элементарной периодической ячейки с учётом ортотропии материала стенок. Выполнено параметрическое исследование влияния геометрических параметров ячейки на эффективные упругие модули гомогенизированного заполнителя. Установлено, что наибольшее влияние оказывают диаметр ячейки и толщина стенки; высота ячейки слабо влияет на плоскостные модули, но приводит к незначительному снижению модулей сдвига Gxz и Gyz. Проведено сравнение двух подходов к моделированию изгиба панели: прямого (детальное моделирование каждой ячейки) и гомогенизированного (заполнитель — сплошной ортотропный слой). Показано, что прямая модель хорошо коррелирует с экспериментальными данными в линейно-упругой области, незначительно завышая жёсткость. Гомогенизированная модель даёт несколько заниженные значения модуля упругости, но выигрывает в вычислительной эффективности. Напряжённо-деформированное состояние в гомогенизированной модели носит осреднённый характер, тогда как прямая модель позволяет выявить локальные концентраторы напряжений и нелинейное поведение стенок.

The paper is devoted to the study of three-layer sandwich panels with honeycomb core, made by a combined method: additive manufacturing and LAFP. The urgent paper is due to the need to create lightweight and rigid structures, as well as the need for effective methods of homogenizing mechanical characteristics for numerical modeling of such panels. In the course of the literature review, the properties of polymers and polymer composite materials, the features of structures with honeycomb core, modern additive technologies and automated fiber laying technology are considered. Special attention is paid to approaches to the homogenization of cellular structures and validation of finite element models. The experimental part included the production of three sets of samples from the PA6+CF30 filament, differing in the relative density of the core. The bearing layers were formed using LAFP methods from polyamide 6-based tape with continuous carbon fiber. Three-point bending tests conducted according to the ASTM C393/C393M standard showed that as the relative density of the filler increases, the ultimate load and apparent shear strength of the panel increase, but the ultimate deformation decreases. The main mechanism of destruction is the detachment of the bearing layer. A finite element model of an elementary periodic cell has been developed for numerical simulation in the Ansys Mechanical APDL environment, taking into account the orthotropy of the wall material. A parametric study of the effect of the geometric parameters of the cell on the effective elastic modules of the homogenized core has been performed. It was found that the cell diameter and wall thickness have the greatest effect; the cell height has little effect on the planar modules, but leads to a slight decrease in the shear modules Gxz and Gyz. Two approaches to modeling panel bending are compared: direct (detailed modeling of each cell) and homogenized (filler is a continuous orthotropic layer). It is shown that the direct model correlates well with experimental data in the linear elastic region, slightly overestimating the stiffness. The homogenized model gives slightly underestimated values of the modulus of elasticity, but it wins in computational efficiency. The stress-strain state in the homogenized model is averaged, whereas the direct model allows us to identify local stress concentrators and nonlinear behavior of the walls.