Analisi di flessione del composito di pannelli sandwich con un re

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 15796 (2022) Citare questo articolo

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Le strutture dei pannelli sandwich sono state ampiamente utilizzate in molte applicazioni industriali a causa delle loro elevate proprietà meccaniche. Lo strato intermedio di queste strutture è un fattore molto importante nel controllare e migliorare le loro prestazioni meccaniche in vari scenari di carico. Le configurazioni reticolari rientranti sono candidati importanti che possono essere utilizzati come strato intermedio in tali strutture a sandwich per diverse ragioni, vale a dire la semplicità nel regolare la loro elasticità (ad esempio, valori del rapporto di Poisson e rigidità elastica) e plastica (ad esempio, alta rapporto resistenza/peso) modificando soltanto le caratteristiche geometriche delle celle unitarie costituenti. Qui, abbiamo studiato la risposta di una piastra sandwich a tre strati con un reticolo centrale rientrante sotto flessione mediante flessione utilizzando test analitici (cioè teoria dello zig-zag), computazionali (cioè elementi finiti) e sperimentali. Abbiamo anche analizzato gli effetti di diversi parametri geometrici (ad esempio, angolo, spessore e rapporto tra lunghezza e altezza delle celle unitarie) delle strutture reticolari rientranti sul comportamento meccanico complessivo delle strutture sandwich. Abbiamo scoperto che le strutture centrali con comportamento auxetico (cioè, rapporto di Poisson negativo) hanno prodotto una maggiore resistenza alla flessione e uno stress di taglio fuori piano minimo rispetto a quelle con reticoli convenzionali. I nostri risultati possono aprire la strada alla progettazione di strutture sandwich ingegnerizzate avanzate con reticoli centrali progettati per applicazioni aerospaziali e biomediche.

Le strutture sandwich sono state ampiamente utilizzate in molti settori come la progettazione di macchine e attrezzature sportive, ingegneria navale, aerospaziale e biomedica grazie alle loro proprietà di elevata resistenza e leggerezza. Le strutture reticolari rientranti sono tra i potenziali candidati da considerare come strato centrale in tali strutture composite grazie alla loro eccellente capacità di assorbimento di energia e alle elevate proprietà di resistenza al peso1,2,3. In passato sono stati compiuti sforzi significativi per progettare strutture sandwich leggere con reticoli rientranti per ottenere proprietà meccaniche ancora più migliorate. Esempi di tali strutture sono i carichi ad alta pressione negli scafi delle navi e gli ammortizzatori nelle automobili4,5. Ciò che rende le strutture reticolari rientranti estremamente popolari, uniche e adatte per i progetti di pannelli sandwich è la capacità di regolare le loro proprietà meccaniche elastiche (ad esempio, rigidità elastica e rapporto di Poisson) in modo indipendente semplicemente regolando le loro geometrie microstrutturali su scala più piccola. Tra queste proprietà interessanti c'è il comportamento auxetico (o rapporto di Poisson negativo) che si riferisce ad un'espansione trasversale delle strutture reticolari, quando sono allungate longitudinalmente6. Questo comportamento insolito ha origine dalla progettazione microstrutturale delle cellule unitarie che le costituiscono7,8,9.

Dopo i primi studi di Lakes sulla produzione di schiume auxetiche, sono stati compiuti sforzi significativi per progettare strutture porose con valori negativi del rapporto di Poisson10,11. A questo scopo sono stati proposti diversi progetti geometrici come celle unitarie rotanti chirali, semirigide e rigide12, tutte con comportamento auxetico. Anche l’avvento delle tecniche di produzione additiva (AM, nota anche come stampa 3D) ha aiutato la realizzazione di queste strutture auxetiche 2D o 3D13.

Il comportamento auxetico offre proprietà meccaniche uniche. Ad esempio, Lakes ed Elms14 hanno dimostrato che le schiume auxetiche hanno carichi di snervamento più elevati, maggiore capacità di assorbimento di energia contro il carico d'impatto e proprietà di rigidità inferiori rispetto alle schiume convenzionali. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche dinamiche delle schiume auxetiche, queste hanno mostrato una maggiore resilienza sotto carichi dinamici di frantumazione e una maggiore capacità di allungamento sotto puro stiramento15. Inoltre, l'utilizzo di fibre auxetiche come rinforzo nei compositi comporterebbe un miglioramento delle loro proprietà meccaniche16 e della loro resistenza ai danni originati dagli allungamenti delle fibre17.