Flexural behavior of sandwich beams with auxetic core structures

Abstract

Sandviç kiriş yapıları ve oksetik malzemeler, enerji yutma konusundaki önemli katkıları nedeniyle tanınmaktadır. Bu çalışma, deneysel ve sayısal analizler yoluyla, FDM yöntemiyle üretilen re-entrant oksetik çekirdeklerin, sandviç kirişlerin hem eğilme davranışını hem de enerji yutma kapasitesini artırma potansiyelini ortaya koymaktadır. Oksetik çekirdekler, üstten alta doğru artan ve azalan gradyanlara sahip hücre duvar kalınlığı konfigürasyonları ile birlikte dört farklı üniform kalınlık tasarımı (0.5, 0.75, 1.0 ve 1.25 mm) kullanılarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Tüm sandviç kirişler, 0.5 mm kalınlığında Al1050 yüzey levhaları ve epoksi yapıştırıcı kullanılarak monte edilmiştir. Üç nokta eğilme deneyleri ASTM C393-00 standardına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, oksetik çekirdek kullanımının sandviç kirişlerin hem yük taşıma kapasitesini hem de enerji yutma kapasitesini iyileştirdiğini göstermiştir. Gradyan kalınlık konfigürasyonları, yükü daha geniş bir bölgeye dağıtmış, yerel hasar başlangıcını geciktirmiş ve üniform kalınlıktaki tasarımlara kıyasla daha yüksek enerji yutma sergilemiştir. Doldurulmamış konfigürasyonlara ek olarak, çekirdek dolgusunun eğilme davranışı ve enerji sönümleme üzerindeki etkisini kısaca değerlendirmek amacıyla 0.75 mm üniform kalınlığa sahip çekirdeğin köpük dolgulu bir versiyonu da üretilmiş ve test edilmiştir. Köpük dolgulu numune, doldurulmamış muadiliyle karşılaştırıldığında daha kısıtlanmış bir deformasyon deseni ve artmış bir enerji yutma eğilimi sergilemiş olup, bu durum köpük dolgusunun yapısal performansı daha da iyileştirmek için tamamlayıcı bir strateji olma potansiyeline işaret etmektedir. Sayısal analizler, yapılandırılmış 3B ve 2B ağ elemanları kullanılarak gerçekleştirilmiş ve sonlu eleman modelleri, deneysel üç nokta eğilme konfigürasyonunu yeniden üretmek amacıyla Abaqus yazılımında çözülmüştür. Sonlu eleman sonuçları, deneysel yük–sehim eğrileri ile kabul edilebilir sapmalarla iyi bir uyum göstermiştir. Tahmin edilen gerilme dağılımları ve birim şekil değiştirme alanları, deneysel olarak gözlemlenen deformasyon mekanizmalarıyla tutarlı bulunmuştur. Gradyan hücre duvarlarında plastik deformasyon ve ilerleyici hasar daha geniş bir bölgeye yayılmış olup, bu durum kırılmanın gecikmesine ve enerji sönümlemenin artmasına katkıda bulunmuştur. Genel olarak, elde edilen bulgular sandviç kiriş performansında hücre geometrisi ve kalınlık dağılımının kritik rolünü vurgulamaktadır. Re-entrant oksetik çekirdeklerde hücre duvar kalınlığı gradyanları hem eğilme dayanımını hem de enerji yutma kapasitesini optimize etmek için etkili bir strateji olduğunu kanıtlamıştır. Ek olarak, köpük dolgulu değerlendirme, oksetik çekirdek topolojisinin iç dolgu ile birleştirilmesinin, eğilme yükleri altında deformasyon modlarını düzenlemek ve enerji sönümlemeyi artırmak için alternatif bir yol sağlayabileceğini göstermektedir. Gelecek çalışmalar, farklı dolgu malzemeleri ve yoğunluklarının incelenmesi ile birlikte, eğilme yükleri altında oksetik sandviç kirişlerin mekanik tepkisini daha da optimize etmek amacıyla çok malzemeli çekirdek uygulamalarının araştırılmasını içerebilir.The sandwich beams contributed significantly to energy absorption, as did the auxetic materials. This study presents an experimental and numerical investigation of re-entrant auxetic cores made through the FDM process to enhance the flexural bending response of sandwich beams and their energy absorption capacity. Auxetic cores were designed and fabricated with cell wall thicknesses that vary from top to bottom, with four uniform thicknesses of 0.5, 0.75, 1.0, and 1.25 mm. All sandwich beams featured 0.5 mm thick Al1050 face sheets and were bonded with epoxy adhesive. Three-point bending tests were performed following ASTM C393-00 standards. The results showed that the use of auxetic cores led to improvements in both the load-carrying capacity and the energy absorption capability of the sandwich beams. In particular, designs with graded cell wall thickness enabled a more uniform load distribution, which helped delay localized damage and resulted in higher energy absorption when compared with uniform-thickness configurations. In addition to these specimens, a foam-filled configuration with a uniform cell thickness of 0.75 mm was manufactured and tested in order to examine the influence of core filling on flexural response and energy dissipation. The foam-filled specimen exhibited a more constrained deformation mode and demonstrated a higher energy absorption capacity than its unfilled counterpart, indicating that foam filling can be considered an effective approach for further enhancing the structural performance. Numerical analyses were carried out using structured three-dimensional and two-dimensional finite element meshes, and the corresponding models were solved in Abaqus to replicate the three-point bending test conditions. The numerical outcomes showed good agreement with the experimental load–deflection responses, with deviations remaining within acceptable limits. Furthermore, the predicted stress distributions and strain fields were consistent with the deformation mechanisms observed during the experiments. For specimens with graded cell wall thickness, plastic deformation and damage were distributed over a wider region, which contributed to delayed fracture and improved energy dissipation. The overall findings highlight that both cell geometry and variations in wall thickness play a critical role in determining the mechanical performance of sandwich beams. In this context, the use of wall thickness gradients in re-entrant auxetic cores was found to be an effective approach for improving bending strength as well as energy absorption capacity. The results obtained from the foam-filled configuration further demonstrate that combining auxetic core designs with internal filling provides an alternative means of controlling deformation modes and enhancing energy dissipation during bending. For future studies, different filling materials and density levels, together with multi-material core designs, may be investigated to achieve further optimization of the bending behavior of auxetic sandwich beam structures.