Análisis de flexión del compuesto de panel sándwich con un re

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15796 (2022) Citar este artículo

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Las estructuras de paneles sándwich han sido ampliamente utilizadas en muchas aplicaciones industriales debido a sus altas propiedades mecánicas. La capa intermedia de estas estructuras es un factor muy importante para controlar y mejorar su desempeño mecánico bajo varios escenarios de carga. Las configuraciones reticulares reentrantes son candidatas prominentes que se pueden usar como la capa intermedia en tales estructuras sándwich debido a varias razones, a saber, la simplicidad en el ajuste de su elasticidad (p. ej., valores de la relación de Poisson y rigidez elástica) y plástica (p. ej., alta relación fuerza-peso) propiedades ajustando únicamente las características geométricas de las celdas unitarias que lo constituyen. Aquí, investigamos la respuesta de una placa sándwich de tres capas con una red de núcleo reentrante bajo flexión mediante pruebas analíticas (es decir, teoría del zig-zag), computacionales (es decir, elementos finitos) y experimentales. También analizamos los efectos de diferentes parámetros geométricos (p. ej., ángulo, espesores y la relación entre la longitud y la altura de las celdas unitarias) de las estructuras reticulares reentrantes en el comportamiento mecánico general de las estructuras sándwich. Encontramos que las estructuras centrales con comportamiento auxético (es decir, relación de Poisson negativa) dieron como resultado una mayor resistencia a la flexión y un esfuerzo cortante fuera del plano mínimo en comparación con aquellas con redes convencionales. Nuestros resultados pueden allanar el camino en el diseño de estructuras tipo sándwich de ingeniería avanzada con celosías centrales arquitectónicas para aplicaciones aeroespaciales y biomédicas.

Las estructuras sándwich se han utilizado ampliamente en muchas industrias, como el diseño de máquinas y equipos deportivos, la ingeniería marina, aeroespacial y biomédica debido a sus propiedades de alta resistencia y bajo peso. Las estructuras reticulares reentrantes se encuentran entre los candidatos potenciales para ser consideradas como una capa central en tales estructuras compuestas debido a su excelente capacidad de absorción de energía y propiedades de alta resistencia al peso1,2,3. Se han hecho esfuerzos significativos en el pasado para diseñar estructuras sándwich ligeras con redes reentrantes para obtener propiedades mecánicas aún más mejoradas. Ejemplos de esas estructuras son las cargas de alta presión en los cascos de los barcos y los amortiguadores en los automóviles4,5. Lo que hace que las estructuras de celosía reentrante sean extremadamente populares, únicas y adecuadas para los diseños de paneles sándwich es la capacidad de ajustar sus propiedades mecánicas elásticas (es decir, la rigidez elástica y la relación de Poisson) de forma independiente simplemente ajustando sus geometrías microestructurales a la escala más pequeña. Entre estas propiedades interesantes está el comportamiento auxético (o relación de Poisson negativa) que se refiere a una expansión transversal de las estructuras reticulares, cuando se estiran longitudinalmente6. Este comportamiento inusual se origina en el diseño microestructural de sus células unitarias constituyentes7,8,9.

Después de los estudios iniciales de Lakes sobre la producción de espumas auxéticas, se han hecho esfuerzos significativos para diseñar estructuras porosas con valores negativos de la relación de Poisson10,11. Con este objetivo, se han propuesto varios diseños geométricos, como celdas unitarias giratorias quirales, semirrígidas y rígidas12, todas las cuales exhiben un comportamiento auxético. El advenimiento de las técnicas de fabricación aditiva (AM, también conocida como impresión 3D) también ha ayudado a la realización de estas estructuras auxéticas 2D o 3D13.

El comportamiento auxético ofrece propiedades mecánicas únicas. Por ejemplo, Lakes y Elms14 demostraron que las espumas auxéticas tienen mayor límite elástico, mayor capacidad de absorción de energía frente a la carga de impacto y propiedades de rigidez más bajas en comparación con las espumas convencionales. En cuanto a las propiedades mecánicas dinámicas de las espumas auxéticas, éstas mostraron mayor resiliencia bajo cargas dinámicas de aplastamiento y mayor capacidad de elongación bajo estiramiento puro15. Además, el uso de fibras auxéticas como refuerzo en los composites redundaría en mejorar sus propiedades mecánicas16 y su resistencia al daño originado por las elongaciones de las fibras17.

También se ha demostrado que el uso de estructuras auxéticas reentrantes como núcleo en estructuras compuestas curvas podría aumentar sus propiedades fuera del plano, incluidas la rigidez y la resistencia a la flexión18. Usando un modelo de delaminación, también se ha observado que el núcleo auxético podría aumentar la resistencia a la fractura de las placas compuestas19. Los composites con fibras auxéticas también podrían prevenir la propagación de grietas en comparación con aquellos con fibras convencionales20.

Zhang et al.21 simularon los comportamientos de choque dinámico de estructuras celulares reentrantes. Descubrieron que la tensión y la absorción de energía podrían mejorarse aumentando el ángulo de las celdas unitarias auxéticas, lo que da como resultado una red con valores más negativos de la relación de Poisson. También sugirieron que tales paneles sándwich auxéticos podrían usarse como una estructura protectora contra las cargas de impacto de alta velocidad de deformación. Imbalzano et al.22 también informaron que los paneles compuestos auxéticos podrían disipar más energía (es decir, dos veces más) a través de una deformación plástica y podrían reducir hasta un 70 % de la velocidad máxima de la cara posterior en comparación con un panel de una sola capa.

Recientemente, las investigaciones numéricas y experimentales de las estructuras sándwich de núcleo auxético han ganado mucha atención. Estos estudios han puesto de relieve las formas de mejorar las propiedades mecánicas de esas estructuras tipo sándwich. Como ejemplo, considerar una capa auxética suficientemente gruesa como núcleo en un panel sándwich podría conducir a un módulo de Young efectivo más alto que el módulo de Young de la capa más rígida que lo constituye23. Además, utilizando algoritmos de optimización, se podría mejorar el rendimiento de flexión de vigas sándwich24 o celosías tubulares25 con núcleos auxéticos. También hay otros estudios relacionados con las pruebas mecánicas de estructuras sándwich de núcleo auxético en escenarios de carga más complejos. Algunos ejemplos son las pruebas de compresión de compuestos de hormigón con núcleos auxéticos26, paneles sándwich en una carga explosiva27, flexión28 y pruebas de resistencia al impacto de baja velocidad29, y análisis de flexión no lineal de placas sándwich con núcleos auxéticos clasificados funcionalmente30.

Dado que las simulaciones computacionales y las evaluaciones experimentales de tales estructuras a menudo requieren mucho tiempo y son costosas, existe la necesidad de desarrollar enfoques teóricos que puedan proporcionar de manera efectiva y precisa la información requerida para diseñar una estructura sándwich auxética central bajo condiciones de carga arbitrarias en un tiempo razonable. Los enfoques analíticos actuales, sin embargo, sufren de muchas limitaciones. Estas teorías en particular, no son lo suficientemente precisas para predecir el comportamiento de compuestos relativamente gruesos y para analizar compuestos que están compuestos por varios materiales con propiedades elásticas muy diferentes.

Dado que estos modelos analíticos dependen de las cargas aplicadas y las condiciones de contorno, aquí nos centramos en las propiedades de flexión de los paneles sándwich con un núcleo auxético. Las teorías equivalentes de una sola capa para tales análisis no logran predecir correctamente los esfuerzos cortantes y axiales en estratificaciones altamente heterogéneas en materiales compuestos sándwich de grosor moderado. Además, el número de variables cinemáticas (p. ej., desplazamiento, velocidad, etc.) en algunas teorías, como las teorías por capas, depende en gran medida del número de capas. Esto significa que los campos cinemáticos de cada capa se pueden describir de forma independiente mientras se satisfacen ciertas restricciones de continuidad física. Por lo tanto, esto terminará considerando una gran cantidad de variables en el modelo, lo que hará que tales enfoques sean computacionalmente muy costosos. Para superar estas limitaciones, proponemos un método basado en la teoría del zig-zag que es una subclase particular de la teoría por capas. Esta teoría refuerza la continuidad de los esfuerzos cortantes en todo el espesor del laminado al asumir un patrón en zig-zag para los desplazamientos en el plano. La teoría del zig-zag, por lo tanto, da el mismo número de variables cinemáticas independientemente del número de capas en un laminado.

Con el fin de mostrar la capacidad de nuestro enfoque para predecir el comportamiento de los paneles sándwich con núcleos reentrantes bajo carga de flexión, comparamos nuestros resultados con las teorías clásicas (es decir, elasticidad 3D (Pagano), teoría de la deformación por corte de primer orden (FSDT )) de placas y validamos nuestro enfoque mediante modelos computacionales (es decir, elementos finitos) y datos experimentales (es decir, flexión de tres puntos de los paneles sándwich impresos en 3D). Para este propósito, primero derivamos las relaciones de desplazamiento con base en la teoría del zig-zag y luego obtuvimos las ecuaciones gobernantes usando el principio de Hamilton y las resolvimos por el método de Galerkin. Nuestros resultados sugirieron una herramienta poderosa para diseñar los parámetros geométricos correspondientes de un panel sándwich con un núcleo auxético que ayude a encontrar estructuras con propiedades mecánicas mejoradas.

Consideremos una placa sándwich de tres capas (Fig. 1). Los parámetros geométricos de esta estructura son: capa superior, \({h}_{t}\), capa intermedia, \({h}_{c}\), y capa inferior, \({h}_{ b}\) espesores. Suponemos que el núcleo estructural está compuesto por una estructura reticular reentrante. Esta estructura está compuesta por celdas unitarias que están dispuestas de manera ordenada una al lado de la otra. Al cambiar los parámetros geométricos de la estructura reentrante, se pueden cambiar sus propiedades mecánicas (es decir, los valores de la relación de Poisson y la rigidez elástica). Los parámetros geométricos de una celda unitaria, como se muestra en la Fig. 1, son el ángulo (θ), la longitud (h), la altura (L) y el espesor del puntal (t).

Placa sándwich de tres capas con una estructura de celosía reentrante como núcleo.

La teoría del zig-zag proporciona una predicción muy precisa de los comportamientos de tensión y deformación de estructuras compuestas en capas moderadamente gruesas. El desplazamiento de la estructura en una teoría en zig-zag consta de dos partes. La primera parte muestra el comportamiento de toda la placa sándwich, y la segunda parte considera el comportamiento entre las capas para satisfacer la continuidad del esfuerzo cortante (o las llamadas funciones de zig-zag). Además, la función de zig-zag se desvanece en las superficies exteriores de la placa laminada en lugar de dentro de una capa dada. Como resultado, la función de zig-zag brinda una contribución de cada capa a la deformación general de la sección transversal. Esta importante diferencia asegura una distribución más realista físicamente para la función de zig-zag en lugar de otras funciones de zig-zag. El presente modelo refinado en zig-zag no impone la continuidad de los esfuerzos cortantes transversales a lo largo de las capas intermedias. El campo de desplazamiento basado en la teoría del zig-zag puede, por lo tanto, escribirse de la siguiente manera31.

En la ecuación. (1), k = b, c, t representa la capa inferior, media y superior, respectivamente. El campo de desplazamiento del plano medio a lo largo del eje cartesiano (x,y,z) es (u,v,w), y la rotación de flexión en el plano sobre el eje (x,y) es \({\uptheta }_{x }\) y \({\uptheta }_{y}\). \({\psi }_{x}\) y \({\psi }_{y}\) son las amplitudes espaciales de la rotación en zig-zag, mientras que \({\phi }_{x}^{k }\left(z\right)\) y \({\phi }_{y}^{k}\left(z\right)\), representan funciones en zig-zag.

Las amplitudes de zig-zag son funciones vectoriales de la respuesta real de la placa bajo la carga aplicada. Proporcionan la escala adecuada de las funciones de zig-zag, controlando así la contribución total del zig-zag a los desplazamientos en el plano. La deformación cortante a lo largo del espesor de la placa consta de dos partes. La primera parte es el ángulo de corte uniforme a través del espesor total del laminado, y la segunda parte son las funciones constantes por tramos que son uniformes a través del espesor de cada capa individual. De acuerdo con estas funciones constantes por partes, la función de zig-zag para cada capa se puede escribir como:

En la ecuación. (2),\({c}_{11}^{k}\) y \({c}_{22}^{k}\) son las constantes elásticas de cada capa, y h es el espesor total de el plato. Además, \({G}_{x}\) y \({G}_{y}\) son coeficientes de rigidez a cortante transversal promedio ponderados, que se representan como31:

Las dos funciones de amplitud de zig-zag (Ec. (3)) y las cinco variables cinemáticas restantes (Ec. (2)) de la teoría de deformación cortante de primer orden constituyen un conjunto de siete variables cinemáticas asociadas con esta teoría refinada de placas en zig-zag. . Al asumir relaciones de deformación lineales, el campo de deformación en el sistema de coordenadas cartesianas considerando la teoría del zig-zag se puede obtener como:

donde \({\varepsilon }_{yy}\) y \({\varepsilon }_{xx}\) son cepas normales y \({\gamma }_{yz},{ \gamma }_{xz}\ ) y \({\gamma }_{xy}\) son deformaciones de corte.

Usando la ley de Hooke y considerando la teoría del zig-zag, las relaciones tensión-deformación para una placa ortotrópica con una estructura reticular reentrante se pueden obtener mediante la Ec. (5)32 donde \({c}_{ij}\) son las constantes elásticas de la matriz tensión-deformación.

Al considerar modelos de materiales ortotrópicos, las constantes elásticas se pueden calcular como:

donde \({G}_{ij}^{k}\) , \({E}_{ij}^{k}\) y \({v}_{ij}^{k}\) son cortantes módulo, módulo de Young y relaciones de Poisson en diferentes direcciones, respectivamente. Estos coeficientes son iguales para las capas isotópicas en todas las direcciones. Además, para un núcleo de red reentrante, como se muestra en la Fig. 1, estas propiedades se pueden reescribir como 33.

Al aplicar el principio de Hamilton a la ecuación de movimientos de una placa sándwich con un núcleo de celosía reentrante, se pueden obtener las ecuaciones que gobiernan la estructura. El principio de Hamilton se escribe como:

donde δ representa el operador de variación, U representa la energía potencial de deformación y W es el trabajo realizado por las fuerzas externas. La energía potencial de deformación total se obtiene utilizando la ecuación. (9), donde A es el dominio del plano medio.

Suponiendo una carga aplicada uniforme (p) en la dirección z, el trabajo de una fuerza externa se puede obtener usando:

Reemplazando las Ecs. (4) y (5) en la ecuación. (9) y también reemplazando las Ecs. (9) y (10) en la ecuación. (8) e integrando a través del espesor de la placa, Eq. (8) se puede reescribir como:

Los índices \(\phi\) denotan las funciones de zig-zag, \({N}_{ij}\) y \({Q}_{iz}\) son fuerzas en el plano y fuera del plano , y \({M}_{ij}\) representan momentos de flexión que se pueden calcular de la siguiente manera:

Aplicando integración por partes a la Ec. (12) y calculando los coeficientes de variación, las ecuaciones de gobierno del panel sándwich se pueden obtener en forma de Eq. (13).

Usamos el método de Galerkin para resolver el sistema de ecuaciones diferenciales gobernantes para una placa sándwich simplemente apoyada. Suponiendo una condición cuasiestática, las funciones desconocidas se consideran como Eq. (14).

\({u}_{m,n}\), \({v}_{m,n}\), \({w}_{m,n}\),\({{\uptheta }_ {\mathrm{x}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\), \({{\uptheta }_{\mathrm{y}}}_{\mathrm{m}\text {,n}}\), \({{\uppsi }_{\mathrm{x}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) y \({{\uppsi }_{ \mathrm{y}}}_{\mathrm{m}\text{,n}}\) son constantes desconocidas que se pueden obtener minimizando el error. \(\overline{\overline{u}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{v}} \left( {x{\text {,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{w}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline {{{\uptheta }_{x} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{{{\uptheta }_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\), \(\overline{\overline{{\psi_{x} }}} \left( {x{\text{, y}}} \right)\) y \(\overline{\overline{{ \psi_{y} }}} \left( {x{\text{,y}}} \right)\) son funciones de prueba que debe satisfacer las condiciones de contorno mínimas necesarias. Para la condición de contorno simplemente admitida, las funciones de prueba se pueden recalcular en la forma de:

Se obtiene un sistema de ecuaciones algebraicas sustituyendo la Ec. (14) a las ecuaciones de gobierno, lo que puede llevar a lograr los coeficientes desconocidos en la ecuación. (14).

Utilizamos enfoques de modelado de elementos finitos (FEM) para simular computacionalmente la flexión por flexión de paneles sándwich simplemente apoyados con una estructura de celosía reentrante como núcleo. Los análisis se realizaron en un código comercial de elementos finitos (es decir, Abaqus ver 6.12.1). Se utilizó un elemento sólido hexaédrico tridimensional con integración reducida (C3D8R) para modelar las capas superior e inferior y un elemento tetraédrico lineal (C3D4) para modelar la estructura reticular media (reentrante). Realizamos un análisis de sensibilidad de malla para verificar la convergencia de la malla y concluimos que los resultados de desplazamiento convergieron en un tamaño de elemento igual al espesor mínimo entre tres capas. La placa sándwich se cargó utilizando una función de carga sinusoidal mientras que se consideró una condición de contorno simplemente apoyada en cuatro bordes. Se consideró como modelo de material un comportamiento mecánico elástico lineal que se asignó a todas las capas. No se definió contacto entre capas y se unieron entre sí.

Utilizamos técnicas de impresión 3D para crear nuestros prototipos (es decir, una placa sándwich con un núcleo auxético impreso tres veces) y la configuración experimental personalizada correspondiente para aplicar flexión por flexión similar (carga uniforme p a lo largo de la dirección z) y condiciones de contorno (es decir, simplemente soporte) asumido en nuestro enfoque analítico (Fig. 1).

El panel sándwich impreso en 3D, aquí, se componía de dos revestimientos (superior e inferior) y un núcleo de celosía reentrante cuyas dimensiones se enumeran en la Tabla 1 y se fabricaron con una máquina de impresión 3D Ultimaker 3 (Italia) que utiliza modelado por deposición fundida (FDM) para sus procesos. Imprimimos en 3D la placa inferior y las estructuras de celosía auxética del núcleo juntas, mientras que imprimimos en 3D la capa superior por separado. Esto ayudó a evitar cualquier complejidad en los procesos de eliminación del soporte en caso de que se supusiera que toda la estructura debía imprimirse a la vez. Una vez que se imprimieron en 3D dos partes separadas, se pegaron con un superpegamento. Utilizamos ácido poliláctico (PLA) para imprimir estos componentes y establecimos la densidad de relleno al máximo (es decir, 100 %) para evitar defectos locales durante la impresión.

El sistema de agarre hecho a la medida imitó las condiciones de contorno de soporte simples similares asumidas en nuestros modelos analíticos. Esto significa que el sistema de sujeción impidió el desplazamiento de la placa en las direcciones x e y a lo largo de sus bordes mientras permitía la rotación libre de esos bordes alrededor de los ejes x e y. Esto se ha realizado considerando un filete con un radio de r = h/2 en los cuatro bordes del sistema de agarre (Fig. 2). Este sistema de agarre también aseguró que la carga aplicada fuera completamente transferida desde la máquina de prueba a la placa, y que estuviera alineada con la línea central de la placa (Fig. 2). Utilizamos la técnica de impresión 3D polyjet (ObjetJ735 Connex3, Stratasys® Ltd., EE. UU.) con un polímero comercial duro (es decir, la familia Vero) para imprimir el sistema de sujeción.

El esquema del sistema de agarre a medida impreso en 3D y su ensamblaje con el panel sándwich impreso en 3D con un núcleo auxético.

Realizamos pruebas de compresión cuasiestática con control de desplazamiento utilizando un punto de referencia de prueba mecánica (Lloyd LR, celda de carga = 100 N) y recopilamos la fuerza y el desplazamiento de la máquina a una frecuencia de muestreo de 20 Hz.

En esta sección se presenta el estudio numérico de la estructura sándwich propuesta. Asumimos que las capas superior e inferior estaban hechas de epoxi de carbono y que la estructura reticular del núcleo reentrante estaba hecha de polímero. Las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en este estudio se muestran en la Tabla 2. Además, las relaciones adimensionales de desplazamiento y los resultados del campo de tensión se dan en la Tabla 3.

El desplazamiento adimensional vertical máximo para la placa simplemente apoyada con una carga uniforme se compara con los obtenidos por diferentes métodos (Tabla 4). Existe un buen acuerdo entre la teoría presentada, FEM y la prueba experimental.

Comparamos el desplazamiento vertical de la teoría refinada del zig-zag (RZT) con la teoría de la elasticidad 3D (Pagano), la teoría de la deformación por corte de primer orden (FSDT) y los resultados de FEM (ver Fig. 3). De acuerdo con las gráficas de desplazamiento de una placa sándwich gruesa, la teoría de la deformación por cortante de primer orden tuvo la máxima diferencia con la solución de elasticidad. Sin embargo, la refinada teoría del zig-zag predijo el resultado con gran precisión. Además, comparamos el esfuerzo cortante fuera del plano y el esfuerzo normal en el plano de diferentes teorías en las que la teoría del zig-zag alcanzó resultados más precisos que el FSDT (Fig. 4).

La comparación de la deformación vertical normalizada calculada usando diferentes teorías en y = b/2.

La variación de (a) esfuerzo cortante, y (b) esfuerzo normal, a lo largo del espesor del panel sándwich calculado usando diferentes teorías.

Analizamos más a fondo los efectos de los parámetros geométricos de las celdas unitarias del núcleo reentrante en las propiedades mecánicas generales de la placa sándwich. El ángulo de las celdas unitarias es el parámetro geométrico más importante en el diseño de estructuras reticulares reentrantes34,35,36. Por lo tanto, calculamos los efectos del ángulo de las celdas unitarias, así como el espesor fuera del plano de la capa central en la deflexión general de la placa (Fig. 5). La deflexión adimensional máxima disminuyó al aumentar el espesor de la capa intermedia. La resistencia relativa a la flexión aumentó para una capa de núcleo más gruesa y cuando \(\frac{{h}_{c}}{h}=1\) (es decir, cuando hay una sola capa reentrante). El panel sándwich con una celda unitaria auxética (es decir, \(\theta =70^\circ\)), tuvo el desplazamiento más bajo (Fig. 5). Esto indica que la resistencia a la flexión del núcleo auxético es mayor que la convencional, es menos efectiva y existe en relaciones de Poisson positivas.

La deflexión máxima normalizada del núcleo de red entrante con diferentes ángulos de celda unitaria y espesores fuera del plano.

El espesor y la relación entre la longitud y la altura de un núcleo reticular auxético (es decir, \(\theta =70^\circ\)) influyeron en el desplazamiento máximo de la placa sándwich (Fig. 6). Como se puede observar, la deflexión máxima de la placa aumenta al aumentar h/l. Además, el aumento del espesor del núcleo auxético redujo la porosidad de la estructura reentrante, lo que aumentó la resistencia a la flexión por flexión de la estructura.

La deflexión máxima de la placa sándwich por diferentes espesores y longitudes de una estructura de celosía de núcleo auxético.

El estudio del campo de tensiones es un área interesante que se puede explorar cambiando los parámetros geométricos de las celdas unitarias, investigando así los modos de falla (por ejemplo, deslaminación) de las estructuras sándwich. Los valores de la relación de Poisson tienen un efecto mayor en el campo de esfuerzos cortantes fuera del plano que los esfuerzos normales (ver Fig. 7). Además, este efecto no es consistente en diferentes direcciones ya que esas redes tienen propiedades materiales ortotrópicas. Los otros parámetros geométricos como espesor, altura y longitud de la estructura reentrante tuvieron un efecto insignificante en el campo de esfuerzos y, por lo tanto, no han sido analizados en este estudio.

La variación de los componentes de los esfuerzos cortantes en diferentes capas de paneles sándwich con varios núcleos de celosía reentrantes.

Aquí, la teoría del zig-zag investigó la resistencia a la flexión por flexión de una placa sándwich simplemente apoyada con un núcleo de celosía reentrante. La formulación presentada se comparó con otras teorías clásicas, incluida la elasticidad 3D, la teoría de la deformación por corte de primer orden y FEM. También verificamos nuestro enfoque comparando nuestros resultados con los resultados experimentales de las estructuras tipo sándwich impresas en 3D. Nuestros resultados mostraron que la teoría del zig-zag era capaz de predecir la deformación de estructuras sándwich moderadamente gruesas bajo la carga de flexión por flexión. Además, se analizaron los efectos de los parámetros geométricos de las estructuras reticulares reentrantes sobre el comportamiento de flexión de las placas sándwich. Los resultados mostraron que al aumentar el nivel de auxeticidad (es decir, θ < 90), aumentó la resistencia a la flexión por flexión. Además, el aumento de la relación entre la longitud y la altura y la disminución del grosor de la red del núcleo redujeron la resistencia a la flexión y la flexión de la placa intercalada. Al final, se estudió el efecto de la relación de Poisson en los esfuerzos cortantes fuera del plano, lo que confirmó que tenía el mayor efecto en los esfuerzos cortantes creados junto con el espesor de esas placas sándwich. La formulación y la conclusión presentadas pueden allanar el camino para diseñar y optimizar estructuras sándwich con un núcleo de celosía reentrante en condiciones de carga más complejas necesarias para el diseño de estructuras de carga en ingeniería aeroespacial y biomédica.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Arak, Arak, 3815688349, Irán

MJ Khoshgoftar y A. Barkhordari

Departamento de Ingeniería Mecánica, Politecnico Di Milano, Via La Masa, 1, 20156, Milán, Italia

M. Limuti, F. Buccino & L. Vergani

Departamento de Ingeniería Biomecánica, Facultad de Ingeniería Mecánica, Marítima y de Materiales, Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft), Mekelweg 2, 2628 CD, Delft, Países Bajos

MJ Mirzaali

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MJK y AB diseñaron la investigación, la implementación de la investigación y realizaron el análisis numérico y el análisis de datos. ML y MJM realizaron los experimentos. MJK y AB escribieron el artículo. FB y LV editaron el artículo. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a MJ Khoshgoftar.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Khoshgoftar, MJ, Barkhordari, A., Limuti, M. et al. Análisis de flexión del compuesto de panel sándwich con un núcleo de celosía reentrante utilizando la teoría del zig-zag. Informe científico 12, 15796 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19930-x

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Recibido: 18 diciembre 2021

Aceptado: 06 septiembre 2022

Publicado: 22 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19930-x

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