Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13615
Title: Simulation of the mechanical and thermal behavior of sandwich panels with different aluminum cores
Other Titles: Προσομοίωση της μηχανικής και θερμικής συμπεριφοράς πλακών Sandwich με διαφορετικούς πυρήνες αλουμινίου
Authors: Μήλιος, Αχιλλέας
Keywords: Sandwich structures
Additive manufacturing
Lattice truss core structures
Homogenisation
Keywords (translated): Δομικά στοιχεία Sanwich
Τεχνολογία 3D εκτύπωσης
Δομές πυρήνα πλέγματος
Ομογενοποίηση
Abstract: Sandwich structures made from composite materials and low-density cores offer high lightweight potential and they are being widely used as load-bearing components in spacecraft structures. Additionally, their mechanical and thermal properties can be tailored to support specific mechanical and environmental loads. A trend increasingly gaining importance in this field is additive manufacturing because a part is printed layer by layer according to a 3D model. Additively manufactured structures can have complex shapes which normally cannot be produced with conventional manufacturing techniques. This technology allows for replacing conventional honeycomb cores with lightweight printed aluminum truss or lattice structures. The freedom of design can be exploited to create core structures which are not only optimized from a structural-mechanical point of view, but also enable the realization of additional functions by design. However, as these rather novel types of sandwich cores offer a wide range of topologies and cell parameters a standard method for modelling and computation does not exist. With the motivation of driving forward the development of multifunctional sandwich structures, the structural-mechanical and thermal behaviour of different aluminum core structures shall be simulated and analyzed in this thesis with help of the finite element method. Computation of mechanical properties and the numerical modelling of cellular core materials and sandwich structures shall be reviewed. Conventional honeycomb and foam cores and novel printed lattice truss cores are to be considered. Afterwards, beginning with unit cells and continuing with sandwich plates, numerical models will be created to compare the behavior of these structures under mechanical loads. Furthermore, the difference between detailed and homogenized modelling of sandwich cores shall be examined and evaluated. Special focus is to be put on the modelling of load introduction points and boundary conditions. Thereafter, a first assessment of the heat exchange performance indicated by the core types of interest is conducted again through simulation of the former panel models. On the one hand, this thesis shall provide as final result a guideline for the numerical modelling of the different sandwich core structures. On the other hand, a comparison of the stiffness and heat transfer performance between sandwich plates with different aluminum cores is to be drawn.
Abstract (translated): Οι δομές «Sandwich» από σύνθετα υλικά σε συνδυασμό με πυρήνες χαμηλής πυκνότητας εμφανίζουν πλεονεκτήματα βασισμένα στην ιδεολογία σχεδιασμού ελαφρών κατασκευών και χρησιμοποιούνται ευρέως ως εξαρτήματα με υψηλή αντοχή σε αεροδιαστημικές δομές. Επιπλέον, οι μηχανικές και οι θερμικές τους ιδιότητες μπορούν να προσαρμοστούν κατάλληλα έτσι ώστε να υποστηρίζουν τα επιθυμητά μηχανικά και περιβαλλοντικά φορτία, αντίστοιχα. Μία τάση που ολοένα κερδίζει έδαφος σε αυτόν τον τομέα είναι η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης καθώς κάθε τμήμα εκτυπώνεται σταδιακά με βάση ένα τρισδιάστατο μοντέλο. Οι τρισδιάστατα εκτυπωμένες δομές μπορούν να λάβουν πολύπλοκα σχήματα, τα οποία δεν θα μπορούσαν να επιτευχθούν με τις συμβατικές τεχνικές κατασκευής. Αυτή η τεχνολογία επιτρέπει την αντικατάσταση των συνηθισμένων πυρήνων κυψελοειδούς τύπου «Honeycomb» με ελαφριούς εκτυπωμένους πυρήνες αλουμινίου από δομές τύπου πλέγματος. H ελευθερία στο σχεδιασμό που προσφέρεται μπορεί να αξιοποιηθεί για τη δημιουργία δομών πυρήνα, οι οποίοι να είναι βελτιστοποιημένοι από μηχανολογικής και δομικής άποψης, αλλά και να συμβάλλει στην υλοποίηση επιπρόσθετων λειτουργιών. Ωστόσο, αν και αυτοί οι ιδιαίτερα καινοτόμοι τύποι πυρήνων «Sandwich» προσφέρουν μία μεγάλη ποικιλία τοπολογιών και παραμέτρων των κυψελών τους («Cells»), μία τυπική μέθοδος μοντελοποίησης και υπολογισμού δεν υπάρχει. Με κίνητρο την συμβολή στην ανάπτυξη των πολυλειτουργικών δομών «Sandwich», η δομική-μηχανική και η θερμική συμπεριφορά που εμφανίζουν οι διαφορετικές δομές πυρήνα αλουμινίου αναλύονται στην παρούσα διπλωματική εργασία, με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον, γίνεται υπολογισμός των μηχανικών ιδιοτήτων και αναπτύσσεται αριθμητική μοντελοποίηση των υλικών που απαρτίζουν τους κυψελωτούς πυρήνες και τις δομές «Sandwich». Λαμβάνονται ακόμα υπόψιν οι συμβατικοί πυρήνες κυψελοειδούς τύπου «Honeycomb» και αφρού, καθώς επίσης και οι καινοτόμοι τρισδιάστατα εκτυπωμένοι πυρήνες τύπου πλέγματος. Έπειτα, ξεκινώντας από τις μοναδιαίες κυψελίδες («Unit Cells») και συνεχίζοντας με τις πλάκες «Sandwich», δημιουργούνται αριθμητικά μοντέλα για τη σύγκριση της συμπεριφοράς που εμφανίζουν οι δομές αυτές, υπό την επίδραση μηχανικών φορτίων. Επιπρόσθετα, οι διαφορές ανάμεσα σε πραγματικά και ομογενοποιημένα μοντέλα πυρήνων «Sandwich» εξετάζονται και αξιολογούνται. Σημειώνεται πως δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στη μοντελοποίηση των σημείων εφαρμογής του φορτίου και των συνοριακών συνθηκών. Ύστερα, διεξάγεται μία πρώτη εκτίμηση της ικανότητας ανταλλαγής θερμότητας των πυρήνων ενδιαφέροντος, μέσω προσομοίωσης των προηγούμενων μοντέλων δομών «Sandwich». Συνοπτικά λοιπόν, η εργασία αυτή, από τη μία στοχεύει στο να παρέχει κατευθυντήριες γραμμές γύρω από την αριθμητική μοντελοποίηση διαφορετικών δομών πυρήνων «Sandwich», ενώ από την άλλη, να αποσαφηνίσει τις διαφορές που προκύπτουν από τη σύγκριση δομικής δυσκαμψίας και θερμικής αγωγιμότητας μεταξύ πλακών «Sandwich» από διαφορετικούς πυρήνες αλουμινίου.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Milios(aer).pdf5.19 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.