The investigation of static and dynamic compressive deformation behavior of a paper based sandwich material

Abstract

In this study, dynamic and quasi-static compression behavior of paper-based honeycomb sandwich structures were investigated. It is known that the mechanical properties of paper-based honeycomb structures change with changing strain rate values. For this reason, dynamic and quasi-static loading conditions should be considered separately when investigating the compressive behavior of the structure. In the material characterization studies, a series of tests were conducted to examine mechanical properties of the paper layer material and sandwich structure. Using data from mechanical tests, numerical models were established in the finite element tool LS-DYNA. Outputs of numerical models were validated with mechanical test outputs. After the validation study, the effects that influence the dynamic compressive behavior of the paper-based honeycomb sandwich structure and their contribution percentages were investigated using the opportunities provided by the FE tool. The results showed a 150.48 % difference between the dynamic and quasi-static compressive behavior of the structure. The numerical results obtained from explicit and implicit solvers also showed good correlation with the experimental results. In addition, the micro-mechanical modeling approach in numerical models made it possible to investigate the effects such as strain rate sensitivity of the paper layer material, entrapped air inside the core cells, and micro-inertia individually. The contribution percentages of the effects were calculated by comparing the numerical and experimental results.

Bu çalışmada, kağıt esaslı petek sandviç yapıların dinamik ve yarı statik bası davranışı incelenmiştir. Kağıt esaslı petek sandviç yapıların mekanik özelliklerinin değişen gerinim oranı değerleri ile birlikte değiştiği bilinmektedir. Bu nedenle, yapının bası davranışının incelenmesinde dinamik ve yarı statik yükleme durumları ayrı ayrı ele alınmalıdır. Malzeme karakterizasyonu çalışmalarında, kağıt esaslı malzemenin ve sandviç yapının mekanik özelliklerinin incelenmesi için bir dizi test gerçekleştirilmiştir. Mekanik testlerden elde edilen veriler kullanılarak LS-DYNA sonlu elemanlar analiz programında nümerik modeller kurulmuştur. Kurulan nümerik modellerden elde edilen çıktılar, mekanik testlerden elde edilen çıktılar ile doğrulanmıştır. Doğrulama çalışmasının ardından kağıt esaslı petek sandviç yapıların dinamik bası davranışına tesir eden etkiler ve bu etkilerin katkı yüzdeleri sonlu elamanlar aracının sağlamış olduğu olanaklar kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar yapının dinamik ve yarı statik bası davranışı arasında %150.48' lik bir fark olduğunu göstermiştir. Ayrıca implicit ve explicit çözücülerden elde edilen nümerik sonuçlar da deneysel sonuçlarla iyi bir kolerasyon ortaya koymuştur. Ek olarak nümerik modellerde izlenen mikro mekanik modelleme yaklaşımı, hücre duvarının gerinim oranı duyarlılığı, hücre içerisinde hapsolmuş hava ve mikro atalet gibi etkilerin ayrı ayrı incelenmesini mümkün kılmıştır. Nümerik ve deneysel sonuçların karşılaştırılması ile bu etkilerin katkı yüzdeleri hesaplanmıştır.