Расчетная оценка локального индентирования сэндвич-панели

Abstract

Представлен анализ локального индентирования сэндвич-структур с тонкими ортотропными обшивками и сотовым заполнителем. Индентирование рассматривается в качестве первого приближения процесса поглощения энергии при низкоскоростном ударном нагружении сэндвич-панелей. Использование ортотропной схемы позволяет обобщить анализ для исследования механического поведения изотропной металлической сэндвич-панели. В общем случае энергия рассеивается в результате локального индентирования обшивки и общего изгиба сэндвич-панели. При ударе вблизи места закрепления панели реализуется механизм локального индентирования. Для его описания разработана аналитическая модель, использующая допущения об идеальном упруголастическом поведении сжимаемого сотового заполнителя и мембранном поведении тонкой ортотропной обшивки при индентировании. Дополнительное упрощение реальной гладкой формы деформированной поверхности ортотропной обшивки сэндвич-панели кусочно-линейной поверхностью в зоне локального трансверсального нагружения дает возможность получить расчетные соотношения, позволяющие оценить напряженно-деформированное состояние и прочность панели при индентировании на значительную глубину. Экспериментальная проверка аналитической модели выполнена на двух видах сэндвич-панелей, имеющих различные типы слоистых обшивок: из однонаправленного углепластика с укладкой слоев [45/-45]s или тканевого арамидного пластика(укладка слоев [0/90]). Обе структуры имели сотовые заполнители, выполненные из пропитанной связующим бумаги типа Nomex или одного слоя стеклоткани. Длина стороны ячейки составляла 2,5 мм. Испытания проведены на INSTRON 5882 (машина для квазистатических испытаний) с использованием навесного экстензометра и программного обеспечения Bluehill2. Для получения механических характеристик обшивок проведены испытания на квазистатическое растяжение образцов, вырезанных из сэндвич-панели. Результаты анализа находятся в хорошем соответствии с полученными экспериментальными данными и могут быть использованы при оценке энергии удара, поглощенной панелью, путем интегрировании расчетных кривых «локальная нагрузка – перемещение». The present paper deals with analysis of local indentation and their energies in point loading of sandwich panel with thin orthotropic composite skins and honeycomb core as an introduction for low velocity impact loading and energy absorbing in sandwich structures. The orthotropic model, which was used for composite skin, allows applying the estimation for mechanical behavior of isotropic metal sandwich panels. Energy is consumed in two stages: local indentation of sandwich panel skin and bending of sandwich panel. If the impact is located near support or clamping only first stage (indentation of sandwich panel) will be presented. Here the analytical model has been used assuming a rigid-perfectly plastic compressive behaviour of the honeycomb core and membrane elastic behaviour of orthotropic skin for large indentation of sandwich panel. The simplification of the real skin deformed shape with a piecewise linear surface in the local zone of indention allows to derive quite simple formulas to estimate contact behaviors and strength of panel even for large indentation. Indention tests of two types of sandwich panels carried out to verify the analytical model. The skin in the first case was made from unidirectional CFRP lamina with lay-up sequence [45/-45]s; in the second case – from aramid woven plastic (lay-up sequence [0/90]). The both structures had honeycomb cores, which consisted of impregnated paper like Nomex or one layer of glass fabric reinforced plastic. The length of a cell was equal to 2.5 mm. Tests were performed with INSTRON 5882 (static testing machine) with using contact extensometer and software Bluehill2. Required mechanical properties of skins were obtained from tension tests of specimens clipped from sandwich-panels. The experimental results are in good agreement with the analysis. These results can be used in impact loading and energy absorption studies of laminated structures by integrating of “local load vs deflection” curve. Keywords: