علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

محاسبه عددی خواص مکانیکی هسته لانه زنبوری با استفاده از روش همگن‌سازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک، تهران، ایران
2 پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران
چکیده
سازه‌های لانه‌زنبوری به دلیل نسبت بالای استحکام به وزن، ظرفیت جذب انرژی بالا و رفتار مکانیکی بهینه، به‌طور گسترده در طراحی سازه‌های فضایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تحلیل دقیق خواص مکانیکی این سازه‌ها برای اطمینان از عملکرد مطلوب تحت بارگذاری‌های مختلف ضروری است. یکی از مهم‌ترین بخش‌ها برای تخمین خواص مکانیکی سازه‌های لانه‌زنبوری، تعیین خواص مکانیکی هستۀ لانه زنبوری است. متغیر‌های مختلفی نظیر ضخامت دیوارۀ سلول، زاویۀ سلول، ارتفاع و طول سلول در خواص مکانیکی هسته لانه زنبوری تأثیر‌گذار است. در این مقاله روش‌های مختلف برای تعیین خواص مکانیکی هستۀ لانه‌زنبوری شامل روش‌های تحلیلی، عددی و تجربی مورد بررسی قرار گرفته و مزایا و معایب آن‌ها استخراج گردید. سپس با استفاده از روش همگن‌سازی و با در نظر گرفتن یک المان حجم نماینده مناسب، یک روش نوآورانه برای محاسبه خواص مکانیکی هستۀ لانه زنبوری به صورت عددی با درنظر گرفتن متغیر‌های هندسی مختلف ارائه گردید. در روش ارائه شده یک کد پارامتریک پیشرفته در نرم‌افزار متلب که قابلیت تعریف المان واحد نمایندۀ مناسب با درنظر گرفتن متغیرهای هندسی مختلف نظیر ضخامت دیوارۀ سلول، زاویۀ سلول، ارتفاع و طول سلول را دارد توسعه داده شده است. این کد قابلیت اتصال با نرم افزارهای المان محدود نظیر انسیس را جهت اعمال شرایط مرزی دوره‌ای و بارگذاری‌های درون و برون صفحه‌ای جهت محاسبۀ خواص مکانیکی شامل مدول‌های الاستیسیته، مدول‌های برشی و ضرایب پواسون در راستاهای مختلف دارد. با استفاده از روش ارائه شده تأثیر هر یک از متغیرهای هندسی موجود در طراحی هستۀ لانه‌زنبوری به دقت مورد بررسی قرار گرفت و خواص مکانیکی هستۀ لانه‌زنبوری تحت شرایط هندسی مختلف به صورت عددی محاسبه گردید. همچنین در نهایت برای اطمینان از صحت نتایج روش ارائه شده، نتایج این مقاله با مدل تحلیلی گیبسون - اشبی مقایسه گردید و مشاهده شد که روش ارائه شده قابلیت تخمین خواص مکانیکی هستۀ لانه‌زنبوری را با دقت بسیار بالا و هزینه محاسباتی بسیار پایین دارد. بنابراین روش ارائه‌شده به دلیل توانایی مدل سازی دقیق متغیرهای هندسی مختلف و دقت بالا در محاسبه خواص مکانیکی، می‌تواند به‌عنوان یک ابزار کارآمد در تخمین خواص مکانیکی هستۀ سازه‌های لانه‌زنبوری مورد استفاده قرار گیرد
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] F.-X. Irisarri, C. Julien, D. Bettebghor, F. Lavelle, Y. Guerin, K. Mathis, et al., “A general optimization strategy for composite sandwich structures,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 63, pp. 3027–3044, 2021.
[2] T. J. Hause, Sandwich Structures: Theory and Responses. Cham, Switzerland: Springer, 2021, pp. 1–3.
[3] B. J. Kim, “Development of a satellite structure with the sandwich T-joint,” Compos. Struct., vol. 92, no. 2, pp. 460–468, 2010.
[4] M. R. Hajighasemi, et al., “Design and manufacture of a smart macro-structure with changeable effective stiffness,” Int. J. Appl. Mech., vol. 12, no. 1, Art. no. 2050001, 2020.
[5] A. Aborehab, M. Kassem, A. F. Nemnem, M. Kamel, and H. Kamel, “Configuration design and modeling of an efficient small satellite structure,” Eng. Solid Mech., vol. 8, no. 1, pp. 7–20, 2020.
[6] S. Chen and H. Huang, “Optimum design of a space frame and its application in satellite structure,” J. Spacecr. Rockets, vol. 47, no. 6, pp. 1063–1066, 2010.
[7] Z. Daneshjoo, F. Shokri, ”Layout and Configuration Design of a Remote Sensing Satellite Subsystems”, J. Space Sci. Technol. Appl, vol 4 (1), p.:39-51, 2024.
[8] M. Walker and R. Smith, “A procedure to select the best material combinations and optimally design composite sandwich cylindrical shells for minimum mass,” Mater. Des., vol. 27, no. 2, pp. 160–165, 2006.
[9] Seyed Mohammad Navid Ghoreishi, Mohammad Aminjafari, Amir Sedaghati, Ehsan Zabihian,” Design, Analysis and Structural Test of Telecommunication Satellite Based on ECSS Standard”, Journal of Space Science, Technology and Applications, vol 3 (1), p.: 48-63, 2023.
[10] Y. Aminanda, B. Castanié, J. J. Barrau, and P. Thevenet, “Experimental analysis and modeling of the crushing of honeycomb cores,” Appl. Compos. Mater., vol. 12, pp. 213–227, 2005.
[11] G. Sun, D. Chen, X. Huo, G. Zheng, and Q. Li, “Experimental and numerical studies on indentation and perforation characteristics of honeycomb sandwich panels,” Compos. Struct., vol. 184, pp. 110–124, 2018.
[12] A. Montazeri, A. Hasani, and M. Safarabadi, “Bending performance and failure mechanism of 3D-printed hybrid geometry honeycombs with various Poisson’s ratios,” J. Sandwich Struct. Mater., vol. 25, no. 7, pp. 709–729, 2023.
[13] W. Ashraf, M. R. Ishak, M. Y. Zuhri, N. Yidris, and A. M. Ya’Acob, “Experimental investigation on the mechanical properties of a sandwich structure made of flax/glass hybrid composite facesheet and honeycomb core,” Int. J. Polym. Sci., vol. 2021, Art. no. 8855952, 2021.
[14] D. M. Wang, J. Wang, and Q. H. Liao, “Investigation of mechanical property for paper honeycomb sandwich composite under different temperature and relative humidity,” J. Reinf. Plast. Compos., vol. 32, no. 13, pp. 987–997, 2013.
[15] L. Shang, Y. Wu, Y. Fang, and Y. Li, “High-temperature mechanical properties of a vented Ti–6Al–4V honeycomb sandwich panel,” Materials, vol. 13, no. 13, Art. no. 3008, 2020.
[16] M. F. Ashby and L. J. Gibson, Cellular Solids: Structure and Properties, 2nd ed. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 1997, pp. 175–231.
[17] Y. Liu, Z. Qin, and F. Chu, “A nonlinear repeated impact model of auxetic honeycomb structures considering geometric nonlinearity and tensile/compressive deformation,” J. Appl. Mech., vol. 90, no. 9, 2023.
[18] M. Zahed, R. Ardeshiri Jouneghani, and M. Safarabadi, “Reinforcement of 3D-printed re-entrant structures using additional supports under three-point bending: Experimental and numerical analyses,” Adv. Eng. Mater., vol. 26, no. 1, Art. no. 2301252, 2024.
[19] M. Khodaei, et al., “On the ballistic impact behavior of foam-filled honeycomb core/composite skin sandwich panels,” J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., vol. 45, no. 5, Art. no. 244, 2023.
[20] A. Montazeri, A. Saeedi, E. Bahmanpour, and M. Safarabadi, “Heterogeneous hexagonal honeycombs with nature-inspired defect channels under in-plane crushing,” Mater. Lett., vol. 366, Art. no. 136564, 2024.
[21] S. Upreti, V. K. Singh, S. K. Kamal, A. Jain, and A. Dixit, “Modelling and analysis of honeycomb sandwich structure using finite element method,” Mater. Today Proc., vol. 25, pp. 620–625, 2020.
[22] X. Wu, H. Yu, L. Guo, L. Zhang,, X. Sun, and Z. Chai. Experimental and numerical investigation of static and fatigue behaviors of composites honeycomb sandwich structure. Composite Structures, 213, pp.165-172, 2019.
[23] E. C. Onyibo and B. Safaei, “Application of finite element analysis to honeycomb sandwich structures: A review,” Rep. Mech. Eng., vol. 3, no. 1, pp. 192–209, 2022.
[24] A. Abbadi, Y. Koutsawa, A. Carmasol, S. Belouettar, and Z. Azari, “Experimental and numerical characterization of honeycomb sandwich composite panels,” Simul. Model. Pract. Theory, vol. 17, no. 10, pp. 1533–1547, 2009.
[25] Y. Wang, Y. Gan, H. Liu, L. Han, J. Wang, and K. Liu, “Surface quality improvement in machining an aluminum honeycomb by ice fixation,” Chin. J. Mech. Eng., vol. 33, Art. no. 1, pp. 1–8, 2020.
[26] R. Ciepielewski and D. Miedzińska, “A study of aluminum honeycomb structures under dynamic loading, with consideration given to the effects of air leakage,” Materials, vol. 16, no. 6, Art. no. 2211, 2023.
[27] S. Malek and L. Gibson, “Effective elastic properties of periodic hexagonal honeycombs,” Mech. Mater., vol. 91, pp. 226–240, 2015.
[28] N. Ahmed, N. Zafar, and H. Z. Janjua, “Homogenization of honeycomb core in sandwich structures: A review,” in Proc. 16th Int. Bhurban Conf. Appl. Sci. Technol. (IBCAST), Islamabad, Pakistan, 2019, pp. 402–407.
[29] A. Aborehab, M. Kamel, A. F. Nemnem, and M. Kassem, “Finite element model updating of a satellite honeycomb sandwich plate in structural dynamics,” Int. J. Space Struct., vol. 36, no. 2, pp. 105–116, 2021.
[30] T. Kanit, S. Forest, I. Galliet, V. Mounoury, and D. Jeulin, “Determination of the size of the representative volume element for random composites: Statistical and numerical approach,” Int. J. Solids Struct., vol. 40, nos. 13–14, pp. 3647–3679, 2003.
[31] L. J. Gibson and M. F. Ashby, “The mechanics of three-dimensional cellular materials,” Proc. R. Soc. Lond. A Math. Phys. Sci., vol. 382, no. 1782, pp. 43–59, 1982.
[32] S. Malek and L. Gibson, “Effective elastic properties of periodic hexagonal honeycombs,” Mech. Mater., vol. 91, pp. 226–240, 2015.
 
 
دوره 6، شماره 1
مهر 1405
صفحه 1-20

  • تاریخ دریافت 04 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 18 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش 22 تیر 1404