Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из композитных сот )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Соты (значения) .
Изображение алюминиевой сотовой конструкции.
Смотрите также: Биомимикрия

Сотовые конструкции - это естественные или искусственные конструкции, которые имеют геометрию соты, что позволяет минимизировать количество используемого материала для достижения минимального веса и минимальных материальных затрат. Геометрия сотовых структур может широко варьироваться, но общей чертой всех таких структур является множество полых ячеек, образованных между тонкими вертикальными стенками. Ячейки часто имеют столбчатую и шестиугольную форму. Ячеистая структура обеспечивает материал с минимальной плотностью и относительно высокими характеристиками сжатия вне плоскости и характеристиками сдвига вне плоскости . [1]

Искусственные сотовые конструкционные материалы обычно изготавливаются путем наложения сотового материала между двумя тонкими слоями, которые обеспечивают прочность при растяжении. Это образует пластинчатый узел. Ячеистые материалы широко используются там, где необходимы плоские или слегка изогнутые поверхности, и их высокая удельная прочность имеет большое значение . По этой причине они широко используются в аэрокосмической промышленности, а сотовые материалы из алюминия, стекловолокна и современные композитные материалы используются в самолетах и ​​ракетах с 1950-х годов. Их также можно найти во многих других областях, от упаковочных материалов в виде сотового картона на бумажной основе до спортивных товаров, таких как лыжи и сноуборды.

Введение [ править ]

К естественным сотовым структурам относятся ульи , соты выветривания в камнях, рубце и кости .

Техногенные сотовые структуры включают в себя сэндвич-структурированный композиционные материалы с сотовыми сердечниками . [2] Искусственные сотовые конструкции производятся с использованием различных материалов, в зависимости от предполагаемого применения и требуемых характеристик, из бумаги или термопластов.из алюминия или армированных волокном пластиков, используемых для получения низкой прочности и жесткости для приложений с низкой нагрузкой, до высокой прочности и жесткости для приложений с высокими эксплуатационными характеристиками. Прочность ламинированных или сэндвич-панелей зависит от размера панели, используемого облицовочного материала и количества или плотности сотовых ячеек в нем. Сотовые композиты широко используются во многих отраслях, от авиакосмической промышленности, автомобилестроения и производства мебели до упаковки и логистики. Материал получил свое название от внешнего сходства с пчелиными сотами - шестиугольной листовой структуры.

История [ править ]

Шестиугольные соты медоносной пчелы вызывали восхищение и удивляли с древних времен. Согласно греческой мифологии, первые соты, созданные руками человека, были изготовлены Дедалом из золота путем литья по выплавляемым моделям более 3000 лет назад. [3] Маркус Варро сообщает, что греческие геометры Евклид и Зенодор обнаружили, что форма шестиугольника позволяет наиболее эффективно использовать пространство и строительные материалы. Внутреннее оребрение и скрытые камеры в куполе в Пантеон в Риме является одним из первых примеров сотовой структуры. [4] [ требуется полная ссылка]

Галилео Галилей в 1638 году обсуждает сопротивление полых твердых тел: «Искусство и даже в большей степени природа используют их в тысячах операций, в которых прочность увеличивается без увеличения веса, как это видно на костях птиц и многих стеблях. легкий и очень устойчивый к сгибанию и разрушению ». [5] Роберт Гук обнаруживает в 1665 году, что естественная ячеистая структура пробки подобна шестиугольным пчелиным сотам . [6] и Чарльз Дарвин заявляет в 1859 году, что« соты улья - пчела, насколько мы видим, абсолютно идеальна для экономии труда и воска ». [7]

Первые бумажные сотовые конструкции могли быть сделаны китайцами 2000 лет назад для украшений, но никаких упоминаний об этом не найдено. Бумажные соты и процесс расширения производства были изобретены в Галле / Заале в Германии Хансом Хайльбруном в 1901 году [8] для декоративных применений. Первые сотовые конструкции из гофрированных металлических листов были предложены для пчеловодства в 1890 году. [9] С той же целью, как фундаментные листы для сбора большего количества меда, в 1878 году был запатентован процесс формования сотовых ячеек с использованием клеевой смеси бумажной пасты [10]. ] Три основных метода производства сотовых ячеек, которые используются до сих пор - расширение, гофрирование и формование - уже были разработаны к 1901 году для применений без сэндвичей.

Хьюго Юнкерс впервые исследовал идею сотового сердечника в ламинатной структуре. Он предложил и запатентовал первые сотовые сердечники для применения в самолетах в 1915 году. [11] Он подробно описал свою концепцию замены покрытых тканью конструкций самолетов металлическими листами и предположил, что металлический лист также может подвергаться сжатию, если он поддерживается на очень маленькие интервалы путем расположения рядом друг с другом ряда квадратных или прямоугольных ячеек или треугольных или шестиугольных полых тел. Проблема соединения сплошной оболочки с ячеистыми сердцевинами позже привела Юнкерс к открытой гофрированной конструкции, которую можно было склепать или сваривать.

Первое использование сотовых структур для структурных применений было независимо предложено для применения в строительстве и опубликовано уже в 1914 году. [12] В 1934 году Эдвард Г. Бадд запатентовал сварную стальную сотовую сэндвич-панель из гофрированных металлических листов, а Клод Дорнье в 1937 году стремился решить эту проблему. Проблема соединения сердцевины с кожей из-за прокатки или вдавливания обшивки, находящейся в пластичном состоянии, в стенки ячеек сердцевины. [13] Первое успешное структурное склеивание ячеистых многослойных структур было достигнуто Норманом де Брюйном из Aero Research Limited , который запатентовал клей нужной вязкости для образования галтов из смолы на сотовом сердечнике в 1938 году. [14]В North American XB-70 Valkyrie широко использовались сотовые панели из нержавеющей стали с использованием разработанного ими процесса пайки .

XB-70 Центра летных исследований Драйдена в 1968 году

Краткое изложение важных событий в истории сотовой технологии приводится ниже: [15]

  • 60 г. до н.э. Диодор Сицилийский сообщает о золотых сотах, изготовленных Дедалом посредством литья по выплавляемым моделям .
  • 36 г. до н.э. Маркус Варро сообщает о наиболее эффективном использовании пространства и строительных материалов с помощью шестиугольной формы.
  • 126 Пантеон был перестроен в Риме с использованием конструкции саркофага , утопленной панели в форме квадратной конструкции, поддерживающей купол.
  • 1638 Галилео Галилей обсуждает полые твердые тела и их повышение сопротивления без увеличения веса.
  • 1665 Роберт Гук обнаруживает, что естественная ячеистая структура пробки похожа на шестиугольные соты пчел.
  • 1859 Чарльз Дарвин заявляет, что соты пчелиного улья идеально подходят для экономии труда и воска.
  • 1877 г. Ф. Х. Кюстерманн изобретает процесс формования сотовой структуры с использованием клеевой смеси бумажной пасты.
  • 1890 Юлиус Штайгель изобретает процесс производства сотовых ячеек из гофрированных металлических листов.
  • 1901 Ганс Хейльбрун изобретает гексагональные бумажные соты и расширяет производственный процесс.
  • 1914 г. Р. Хёфлер и С. Реньи патентуют первое использование сотовых структур в конструкциях.
  • 1915 Хьюго Юнкерс патентует первые сотовые заполнители для применения в самолетах.
  • 1931 Джордж Томсон предлагает использовать декоративные соты из расходной бумаги для легких гипсокартонных панелей.
  • 1934 г. Эдвард Г. Бадд патентует сварную стальную сотовую сэндвич-панель из гофрированных металлических листов.
  • 1937 Клод Дорнье патентует сотовую сэндвич-панель с оболочкой, запрессованной в пластическом состоянии в стенки ячеек ядра.
  • 1938 Норман де Брюйн патентует структурное клеевое соединение сотовых многослойных конструкций.
  • 1941 Джон Д. Линкольн предлагает использовать расширенные бумажные соты для обтекателей самолетов.
  • 1948 г. Роджер Стил применяет процесс расширения производства с использованием композитных листов, армированных волокном.
  • Boeing 747 1969 года включает в себя обширные огнестойкие соты от Hexcel Composites с использованием арамидной бумаги DuPont Nomex.
  • 1980-е годы Представлены соты из термопласта, производимые методом экструзии.

Производство [ править ]

Сотовая амортизирующая структура из термопластичного полимера, полученного литьем под давлением, на BMW i3

К 1901 году были разработаны три традиционных метода производства сотовых конструкций: расширение, гофрирование и формование. Что касается декоративных применений, то в первом десятилетии 20-го века производство сотовых структур достигло значительной степени автоматизации.

Сегодня сотовые сердечники производятся с помощью процессов расширения и гофрирования из композитных материалов, таких как стеклопластик (также известный как стекловолокно), пластик , армированный углеродным волокном, пластик , армированный арамидной бумагой Nomex , или из металла (обычно алюминия ). [16]

Соты из металлов (например, алюминия) сегодня производятся методом расширения. Непрерывные процессы складывания сотовых сотов из одного алюминиевого листа после резки прорезей были разработаны уже примерно в 1920 году. [17] Непрерывное поточное производство металлических сотовых элементов может быть выполнено из металлических рулонов путем резки и гибки. [18]

Ячеистые сердечники из термопласта (обычно из полипропилена ) обычно изготавливаются методом экструзии с помощью блока экструдированных профилей [19] или экструдированных труб [20] [21], из которых нарезаются сотовые листы.

Недавно был внедрен новый уникальный процесс производства сотовых ячеек из термопласта, позволяющий непрерывно производить [22] сотовую сердцевину, а также поточно производить сотовые ячейки с прямым ламинированием обшивки в экономичные сэндвич-панели. [23]

Приложения [ править ]

Композитные сотовые конструкции используются во многих инженерных и научных приложениях.

Область примененияПромышленностьКомпания / Продукт
Гоночные снарядыСпортВесполи , Яноусек Гоночные лодки
Аэрокосмическое производствоАэрокосмическая промышленностьHexcel , Plascore Incorporated
ПланерыАэрокосмическая промышленностьSchleicher ASW 19 , проект Solar Impulse
ВертолетыАэрокосмическая промышленностьКамов Ка-25 , Bell 533 , Westland Lynx
Реактивный самолетАэрокосмическая промышленностьGeneral Dynamics / Grumman F-111B , F-111 Aardvark , все коммерческие самолеты, начиная с Boeing 747
Подконструкция ракетыАэрокосмическая промышленностьПриборный блок Saturn V , марсоход Mars Exploration , S-520
Светодиодная технологияОсвещениеSmartSlab
ГромкоговорительАудиоГромкоговоритель # Дизайн драйвера: динамические динамики , НЧ- динамик
Структура зеркала телескопаАэрокосмическая промышленностьКосмический телескоп Хаббла
Автомобильная конструкцияАвтомобильная промышленностьПантера Соло , Ягуар XJ220 , Купол F105 , Bluebird-Proteus CN7 , BMW i3 / i8 , Koenigsegg Agera
СноубордыСпортивныйСноуборд
МебельДеревообработкаМебель

Более поздние разработки показывают, что сотовые структуры также полезны в приложениях, включающих массивы наноотверстий в анодированном оксиде алюминия , [24] микропористые массивы в тонких полимерных пленках , [25] соты из активированного угля [26] и сотовые структуры с фотонной запрещенной зоной . [27]

Аэродинамика [ править ]

Сотовый, экранированный центр первой аэродинамической трубы Лэнгли

Сотовая сетка часто используется в аэродинамике для уменьшения или создания ветровой турбулентности . Его также используют для получения стандартного профиля в аэродинамической трубе (температура, скорость потока). Основным фактором при выборе правильной сетки является отношение длины (длина к диаметру сотовой ячейки) L / d .

Отношение длины <1: на решетке радиатора автомобиля можно использовать сотовые ячейки с малым соотношением длины . Помимо эстетических соображений, эти сетки используются в качестве экранов для получения однородного профиля и уменьшения интенсивности турбулентности. [28]

Отношение длины >> 1: сотовые ячейки с большим соотношением длины уменьшают боковую турбулентность и завихрения потока. Ранние аэродинамические трубы использовали их без экранов; К сожалению, этот метод привел к высокой интенсивности турбулентности на участке испытаний. В большинстве современных туннелей используются как соты, так и экраны.

В то время как алюминиевые соты широко используются в промышленности, для конкретных применений предлагаются другие материалы. Людям, использующим металлические конструкции, следует позаботиться об удалении заусенцев, так как они могут создавать дополнительные завихрения. Конструкции из поликарбоната - недорогая альтернатива.

Сотовый, экранированный центр этого воздухозаборника открытого цикла для первой аэродинамической трубы Лэнгли обеспечивал устойчивый, нетурбулентный поток воздуха. Два механика позируют возле входа в настоящий туннель, где воздух втягивается в испытательную секцию через сотовую структуру для сглаживания потока.

Соты - не единственное доступное поперечное сечение для уменьшения водоворотов в воздушном потоке. Также доступны квадратные, прямоугольные, круглые и шестиугольные поперечные сечения, хотя в целом предпочтительнее использовать сотовые конструкции. [29]

Свойства [ править ]

Композитная сэндвич-панель (A) с сотовым заполнителем (C) и лицевыми панелями (B)

В сочетании с двумя обшивками, нанесенными на соты, структура представляет собой сэндвич-панель с превосходной жесткостью при минимальном весе. Поведение сотовых структур ортотропно , что означает, что панели реагируют по-разному в зависимости от ориентации структуры. Поэтому необходимо различать направления симметрии , так называемые L и W. L-направление - самое сильное и жесткое. Самым слабым направлением является 60 ° от L-направления (в случае правильного шестиугольника ), а наиболее податливым направлением является W-направление. [1]Еще одно важное свойство сотового многослойного сердечника - его прочность на сжатие. Благодаря эффективной шестиугольной конфигурации, в которой стены поддерживают друг друга, прочность на сжатие сотовых сердечников обычно выше (при том же весе) по сравнению с другими структурами с многослойным сердечником, такими как, например, пенопласты или гофрированные сердечники.

Механические свойства сот зависят от геометрии ячеек, свойств материала, из которого изготовлены соты (часто называемого твердым телом), которые включают модуль Юнга, предел текучести и напряжение разрушения материала, а также относительное плотность соты (плотность соты, нормированная на плотность твердого тела, ρ * / ρ s ). [30] [31] Было обнаружено, что модули упругости сот с низкой плотностью не зависят от твердого тела. [32] Механические свойства сот также будут варьироваться в зависимости от направления приложения нагрузки.

Нагрузка в плоскости: при нагрузке в плоскости часто предполагается, что толщина стенки сотового заполнителя мала по сравнению с длиной стены. Для обычных сот относительная плотность пропорциональна отношению толщины стенки к длине стенки (t / L), а модуль Юнга пропорционален (t / L) 3 . [30] [31] При достаточно высокой сжимающей нагрузке сотовая структура достигает критического напряжения и выходит из строя из-за одного из следующих механизмов - упругого коробления, пластической деформации или хрупкого раздавливания. [30] Тип отказа зависит от материала твердого тела, из которого изготовлены соты. Упругая деформация стенок ячеек - это режим разрушения эластомерных материалов [31].пластичные материалы разрушаются из-за пластической податливости, а хрупкое раздавливание - это режим разрушения, когда твердое тело является хрупким. [30] [31] Упругое напряжение изгиба пропорционально кубу относительной плотности, напряжение пластического сжатия пропорционально квадрату относительной плотности, а напряжение хрупкого раздавливания пропорционально квадрату относительной плотности. [30] [31] После критического напряжения и разрушения материала в материале наблюдается плато напряжения, в котором наблюдается увеличение деформации, в то время как напряжение сотовой структуры остается примерно постоянным. [31] Как только будет достигнута определенная деформация, материал начнет подвергаться уплотнению, поскольку дальнейшее сжатие сдвигает стенки клеток вместе. [31]

Нагрузка вне плоскости: при нагрузке вне плоскости модуль Юнга правильных гексагональных сот пропорционален относительной плотности сот. [30] Напряжение упругой потери устойчивости пропорционально (т / л) 3, а напряжение пластической потери устойчивости пропорционально (т / л) 5/3 . [30]

Форма сотовой ячейки часто меняется для различных инженерных приложений. Формы, которые обычно используются помимо обычной гексагональной ячейки, включают треугольные ячейки, квадратные ячейки и шестиугольные ячейки с круглым ядром, а также квадратные ячейки с круглым ядром. [33] Относительные плотности этих ячеек будут зависеть от их новой геометрии.

См. Также [ править ]

Сотовая решетка, используемая на компьютерном вентиляторе для закрытия лопастей вентилятора.
  • Осветительные отверстия
  • Металлическая пена
  • Полый структурный профиль
  • Композитный материал
  • Структурированный композит сэндвич
  • Система сэндвич-панелей
  • Теория пучка Тимошенко
  • Теория пластин
  • Сэндвич-панели
  • Структура треугольника

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Wahl, L .; Maas, S .; Waldmann, D .; Zurbes, A .; Фререс, П. (28 мая 2012 г.). «Напряжения сдвига в сотовых многослойных пластинах: аналитическое решение, метод конечных элементов и экспериментальная проверка» . Журнал сэндвич-структур и материалов . 14 (4): 449–468. DOI : 10.1177 / 1099636212444655 . S2CID  137530481 .
  2. ^ Krzyżak, Анета; Мазур, Михал; Гаевский, Матеуш; Дрозд, Казимеж; Коморек, Анджей; Пшибылек, Павел (2016). «Сэндвич-структурированные композиты для аэронавтики: методы производства, влияющие на некоторые механические свойства» . Международный журнал аэрокосмической техники . 2016 : 1–10. DOI : 10.1155 / 2016/7816912 . ISSN 1687-5966 . 
  3. ↑ Диодор Сицилийский, Историческая библиотека , 1 век до н.э.
  4. ^ Макдональд 1976 , стр. 33«В ней [ротонде] кое-где есть отверстия, на разных уровнях, которые переходят в некоторые из множества различных камер, которые сотворяют структуру ротонды, соты, которые являются неотъемлемой частью сложного инженерного решения ... "
  5. ^ Галилей, Г., Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno á due nuoue scienze , Лейден, Эльзевирс, 1638 г.
  6. ^ Гук, Р., Micrographia , Лондон, Дж. Мартин и Дж. Аллестри, 1665
  7. ^ Дарвин, К., О происхождении видов путем естественного отбора , Лондон, Джон Мюррей, 1859 г.
  8. ^ Heilbrun & Пиннер, Papiernetz , DE133165, 1901
  9. ^ Юлиус Штайгель, Verfahren zur Herstellung von Kunstwaben , DE57655, 1890
  10. ^ Küstermann, FH, Künstliche Bienenwaben nebst ден Instrumenten цур Herstellung derselben , DE7031, 1879
  11. ^ Hugo Junkers, Abdeckung für Flugzeugtragflächen унд dergleichen , DE310040, 1915
  12. ^ Höfler, Р. и С. Реньи, Plattenförmiger Baukörper , DE355036, 1914
  13. ^ Dornier, C. Усовершенствования или относящиеся к способу изготовления легких конструктивных элементов, в частности, для авиастроения , GB515267, Dornier Metallbauten GmbH, 1937
  14. ^ "Общество адгезии и клеев" . Uksaa-www.me.ic.ac.uk. 1904-11-08. Архивировано из оригинала на 2013-10-19 . Проверено 13 февраля 2014 .
  15. ^ «EconHP Holding - История /index.php» . Econhp.de. Архивировано из оригинала на 2011-07-18 . Проверено 13 февраля 2014 .
  16. ^ «Атрибуты и свойства сот Hexweb ™» (PDF) . Композиты Hexcel. Архивировано из оригинального (PDF) 01.06.2010 . Проверено 21 сентября 2006 .
  17. ^ [1] , Декан, HB (1919). Искусственные соты. US1389294. США, Джон Д. Хау.
  18. ^ «Lesjöfors разрабатывает инструмент для изобретения Эрикссон» . Lesjoforsab.com . Проверено 13 февраля 2014 .
  19. ^ Nidaplast Corporation (2013-11-08). «Нидапласт Экология и Композиты, создание полипропиленовых сотовых изделий» . Nidaplast.com. Архивировано из оригинала на 2014-06-05 . Проверено 13 февраля 2014 .
  20. ^ "Тубус-Вабен" . Tubus Waben . Проверено 13 февраля 2014 .
  21. ^ "Ячеистые соты - Продукты сотовых панелей" . Plascore . Проверено 13 февраля 2014 .
  22. ^ "ThermHex Waben GmbH" .
  23. ^ "EconCore NV" . EconCore.com . Проверено 3 октября 2014 .
  24. ^ Масуда, Х. и Фукуда, К., (1995), Упорядоченные массивы металлических наноотверстий, полученные путем двухэтапной репликации сотовых структур из анодного оксида алюминия, Science, 268 (5216), стр. 1466.
  25. ^ Ябу, Х. и Takebayashi, М. и Танака, М. и Шимомура, М., 2005, супергидрофобный и липофобное свойство самоорганизации и сотовые структур Подушкообразной, Ленгмюра, 21 (8), стр. 3235-3237.
  26. ^ Gadkaree, КП, (1998), углеродные ячеистые структуры для адсорбции приложений, карбон, 36 (7-8), стр. 981-989.
  27. ^ Broeng, Дж и Barkou, SE и Bjarklev, А. и Найт, JC и Биркс, ТА и Рассел, PSJ, (1998), высоко увеличилась фотонные ширины запрещенной зоны в диоксиде кремния / воздушных структур, Оптика Communications, 156 (4-6 ), С. 240–244.
  28. ^ Брэдшоу, Питер; Мехта, Раби. «Соты» . Конструкция аэродинамической трубы . Архивировано из оригинала на 2011-09-02.
  29. ^ "Компоненты аэродинамической трубы" . Яркий хаб . Архивировано из оригинала на 2010-11-20.
  30. ^ a b c d e f g Гибсон, Лорна Дж .; Эшби, MF; Харли, Брендан А. (2010). Клеточные материалы в природе и медицине . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521195447. OCLC  607986408 .
  31. ^ a b c d e f g Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: Макгроу Хилл. ISBN 978-0070285941. OCLC  41932585 .
  32. ^ Torquato, S .; Гибянский, Л. В.; Сильва, MJ; Гибсон, LJ (январь 1998 г.). «Эффективные механические и транспортные свойства ячеистых твердых тел». Международный журнал механических наук . 40 (1): 71–82. DOI : 10.1016 / s0020-7403 (97) 00031-3 . ISSN 0020-7403 . 
  33. ^ Чжан, Цяньчэн; Ян, Сяоху; Ли, Пэн; Хуан, Гоюй; Фэн, Шаншэн; Шен, Ченг; Хан, Бин; Чжан, Сяохуэй; Цзинь, Фэн (октябрь 2015 г.). «Биоинженерия сотовой структуры - использование природы для вдохновения человеческих инноваций». Прогресс в материаловедении . 74 : 332–400. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2015.05.001 . ISSN 0079-6425 .