Analyse de flexion d'un panneau sandwich composite avec un re

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15796 (2022) Citer cet article

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Les structures en panneaux sandwich ont été largement utilisées dans de nombreuses applications industrielles en raison de leurs propriétés mécaniques élevées. La couche intermédiaire de ces structures est un facteur très important pour contrôler et améliorer leurs performances mécaniques dans divers scénarios de chargement. Les configurations de treillis réentrants sont des candidats importants qui peuvent être utilisés comme couche intermédiaire dans de telles structures sandwich en raison de plusieurs raisons, notamment la simplicité de réglage de leur élasticité (par exemple, valeurs du coefficient de Poisson et de leur rigidité élastique) et plastique (par exemple, haute rapport résistance/poids) en ajustant uniquement les caractéristiques géométriques des cellules unitaires constituantes. Ici, nous avons étudié la réponse d'une plaque sandwich à trois couches avec un réseau central rentrant sous flexion par flexion en utilisant des tests analytiques (c'est-à-dire la théorie du zigzag), informatiques (c'est-à-dire les éléments finis) et expérimentaux. Nous avons également analysé les effets de différents paramètres géométriques (par exemple, angle, épaisseurs et rapport longueur/hauteur des cellules unitaires) des structures en treillis rentrant sur le comportement mécanique global des structures sandwich. Nous avons constaté que les structures centrales ayant un comportement auxétique (c'est-à-dire un coefficient de Poisson négatif) entraînaient une résistance à la flexion plus élevée et une contrainte de cisaillement hors plan minimale par rapport à celles dotées de réseaux conventionnels. Nos résultats peuvent ouvrir la voie à la conception de structures sandwich avancées avec des treillis centraux architecturés pour les applications aérospatiales et biomédicales.

Les structures sandwich ont été largement utilisées dans de nombreuses industries telles que la conception de machines et d'équipements sportifs, l'ingénierie marine, aérospatiale et biomédicale en raison de leurs propriétés de haute résistance et de faible poids. Les structures en treillis rentrant font partie des candidats potentiels à considérer comme couche centrale dans de telles structures composites en raison de leur excellente capacité d’absorption d’énergie et de leurs propriétés élevées de résistance au poids1,2,3. Des efforts importants ont été réalisés dans le passé pour concevoir des structures sandwich légères avec des treillis rentrants afin d'obtenir des propriétés mécaniques encore plus améliorées. Des exemples de ces structures sont les charges à haute pression dans les coques de navires et les amortisseurs dans les automobiles4,5. Ce qui rend les structures en treillis rentrant extrêmement populaires, uniques et adaptées aux conceptions de panneaux sandwich, c'est la possibilité d'ajuster leurs propriétés mécaniques élastiques (c'est-à-dire la rigidité élastique et le coefficient de Poisson) indépendamment en ajustant simplement leurs géométries microstructurales à plus petite échelle. Parmi ces propriétés intéressantes, citons le comportement auxétique (ou coefficient de Poisson négatif) qui fait référence à une expansion transversale des structures en treillis, lorsqu'elles sont étirées longitudinalement6. Ce comportement inhabituel provient de la conception microstructurale de leurs cellules unitaires constitutives7,8,9.

Après les premières études de Lakes sur la production de mousses auxétiques, des efforts importants ont été déployés pour concevoir des structures poreuses avec des valeurs négatives du coefficient de Poisson10,11. Dans ce but, plusieurs conceptions géométriques ont été proposées, telles que des cellules unitaires rotatives chirales, semi-rigides et rigides12, qui présentent toutes un comportement auxétique. L’avènement des techniques de fabrication additive (FA, également appelée impression 3D) a également permis la réalisation de ces structures auxétiques 2D ou 3D13.

Le comportement auxétique offre des propriétés mécaniques uniques. Par exemple, Lakes et Elms14 ont montré que les mousses auxétiques ont des limites d'élasticité plus élevées, une capacité d'absorption d'énergie plus élevée contre la charge d'impact et des propriétés de rigidité plus faibles par rapport aux mousses conventionnelles. En ce qui concerne les propriétés mécaniques dynamiques des mousses auxétiques, elles ont montré une résilience plus élevée sous des charges d'écrasement dynamiques et une capacité d'allongement plus élevée sous étirement pur15. De plus, l’utilisation de fibres auxétiques comme renfort dans les composites permettrait d’améliorer leurs propriétés mécaniques16 et leur résistance aux dommages provoqués par l’allongement des fibres17.