Сотовая структура
Сотовые конструкции — это природные или искусственные конструкции , имеющие геометрию сот , позволяющую минимизировать количество используемого материала для достижения минимального веса и минимальной стоимости материала . Геометрия сотовых структур может сильно различаться, но общей чертой всех таких структур является массив полых ячеек, образованных между тонкими вертикальными стенками. Клетки часто имеют столбчатую и шестиугольную форму. внеплоскостного Сотовая структура обеспечивает материал с минимальной плотностью и относительно высокими свойствами сжатия и внеплоскостного сдвига . [1]
Искусственные сотовые конструкционные материалы обычно изготавливаются путем наслаивания сотового материала между двумя тонкими слоями, которые обеспечивают прочность на растяжение . Это образует пластинчатую сборку. Сотовые материалы широко используются там, где необходимы плоские или слегка изогнутые поверхности и их высокая удельная прочность ценна . По этой причине они широко используются в аэрокосмической промышленности, а сотовые материалы из алюминия, стекловолокна и современных композитных материалов 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
[ редактировать ]К естественным сотовым структурам относятся ульи , соты, выветрившиеся в камнях , рубец и кости .
К искусственным сотовым конструкциям относятся композиты сэндвич-структуры с сотовыми сердцевинами . [ нужна ссылка ] Искусственные сотовые конструкции изготавливаются с использованием различных материалов, в зависимости от предполагаемого применения и требуемых характеристик: от бумаги или термопластов , используемых для низкой прочности и жесткости для применений с низкими нагрузками , до высокой прочности и жесткости для высокопроизводительных применений. из алюминия или армированного волокном пластика. Прочность ламинированных или сэндвич-панелей зависит от размера панели, используемого облицовочного материала и количества или плотности сотовых ячеек внутри нее. Сотовые композиты широко используются во многих отраслях: от аэрокосмической промышленности, автомобилестроения и мебели до упаковки и логистики. Свое название материал получил из-за визуального сходства с пчелиными сотами – листовой структуры шестиугольной формы.
История
[ редактировать ]Шестиугольный сот медоносной пчелы вызывал восхищение и вызывал удивление с древних времен. Согласно греческой мифологии, первые искусственные соты были изготовлены Дедалом из золота методом литья по выплавляемым моделям более 3000 лет назад. [2] Марк Варрон сообщает, что греческие геометры Евклид и Зенодор обнаружили, что шестиугольная форма позволяет наиболее эффективно использовать пространство и строительные материалы. Внутренние ребра и скрытые камеры купола Пантеона в Риме являются ранним примером сотовой структуры. [3]
Галилео Галилей обсуждает в 1638 году сопротивление полых тел: «Искусство, а тем более природа, использует их в тысячах операций, в которых прочность увеличивается без увеличения веса, как это видно на костях птиц и во многих стеблях, которые легкий и очень устойчивый к изгибу и разрушению». [4] В 1665 году Роберт Гук обнаружил, что естественная клеточная структура пробки аналогична шестиугольным пчелиным сотам. [5] а Чарльз Дарвин утверждает в 1859 году, что «соты пчелиного улья, насколько мы можем видеть, абсолютно совершенны в плане экономии труда и воска». [6]
Первые бумажные сотовые конструкции, возможно, были созданы китайцами 2000 лет назад для украшения, но никаких упоминаний об этом обнаружено не было. Бумажные соты и процесс производства расширения были изобретены в Галле/Заале в Германии Гансом Хайльбруном в 1901 году. [7] для декоративного применения. Первые сотовые конструкции из гофрированных металлических листов были предложены для пчеловодства в 1890 году. [8] С той же целью, в качестве фундаментных листов для сбора большего количества меда, в 1878 году был запатентован процесс формования сот с использованием клеевой смеси из бумажной пасты. [9] Три основных метода производства сотовых конструкций, которые используются до сих пор, — расширение, гофрирование и формование — были разработаны уже в 1901 году для применения без сэндвичей.
Хьюго Юнкерс первым исследовал идею сотовой сердцевины в структуре ламината. В 1915 году он предложил и запатентовал первые сотовые заполнители для самолетов. [10] Он подробно описал свою концепцию замены обтянутых тканью конструкций самолетов металлическими листами и рассуждал, что металлический лист также может нагружаться на сжатие, если его поддерживать с очень небольшими интервалами, располагая рядом ряд квадратных или прямоугольных ячеек или треугольных ячеек. или шестиугольные полые тела. Проблема соединения непрерывной обшивки с ячеистыми сердечниками привела Юнкерса позже к открытой гофрированной конструкции, которую можно было склевать или сваривать вместе.
Первое использование сотовых конструкций в строительных целях было независимо предложено для строительства и опубликовано уже в 1914 году. [11] В 1934 году Эдвард Г. Бадд запатентовал сварную стальную сотовую сэндвич-панель из гофрированных металлических листов, а Клод Дорнье в 1937 году поставил перед собой задачу решить проблему соединения сердцевины с обшивкой путем прокатки или вдавливания обшивки, находящейся в пластичном состоянии, в стенки ячеек сердцевины. [12] Первое успешное структурное клеевое соединение сотовых сэндвич-конструкций было достигнуто Норманом де Брюйном из Aero Research Limited , который в 1938 году запатентовал клей с нужной вязкостью для формирования смоляных желобков на сотовом заполнителе. [13] В North American XB-70 Valkyrie широко использовались из нержавеющей стали сотовые панели с использованием разработанного ими процесса пайки .
Краткое изложение важных событий в истории сотовой технологии представлено ниже: [14]
- 60 г. до н. э. Диодор Сицилийский сообщает о золотых сотах, изготовленных Дедалом методом литья по выплавляемым моделям .
- 36 г. до н. э. Марк Варрон сообщает о наиболее эффективном использовании пространства и строительных материалов благодаря шестиугольной форме.
- 126 Пантеон был перестроен в Риме с использованием кессонной конструкции, затонувшей панели в форме квадратной конструкции, поддерживающей его купол.
- 1638 г. Галилео Галилей обсуждает полые твердые тела и увеличение их сопротивления без увеличения веса.
- 1665 г. Роберт Гук обнаруживает, что естественная клеточная структура пробки аналогична шестиугольным пчелиным сотам.
- 1859 г. Чарльз Дарвин утверждает, что соты пчелиного улья абсолютно совершенны в плане экономии труда и воска.
- 1877 г. Ф. Х. Кюстерманн изобретает процесс формования сот с использованием клеевой смеси бумажной пасты.
- 1890 г. Юлиус Штайгель изобретает процесс производства сот из гофрированных металлических листов.
- 1901 Ганс Хайльбрун изобретает шестиугольные бумажные соты и процесс производства расширения.
- 1914 г. Р. Хёфлер и С. Реньи патентуют первое использование сотовых структур в строительных целях.
- 1915 Хьюго Юнкерс патентует первые сотовые заполнители для самолетов.
- 1931 Джордж Томсон предлагает использовать декоративные соты из использованной бумаги для легких гипсокартонных панелей.
- 1934 г. Эдвард Дж. Бадд патентует сварную стальную сотовую сэндвич-панель из гофрированных металлических листов.
- 1937 Клод Дорнье патентует сотовую сэндвич-панель, обшивка которой в пластичном состоянии впрессована в стенки ячеек сердцевины.
- 1938 г. Норман де Брюйне патентует структурное клеевое соединение сотовых сэндвич-конструкций.
- 1941 г. Джон Д. Линкольн предлагает использовать соты из расширенной бумаги для обтекателей самолетов.
- 1948 Роджер Стил применяет процесс производства расширений с использованием композитных листов, армированных волокном.
- 1969 год. В самолете Boeing 747 используются обширные огнестойкие соты от Hexcel Composites с использованием арамидной бумаги DuPont Nomex.
- 1980-е годы Представлены термопластичные соты, получаемые методом экструзии.
Производство
[ редактировать ]
Три традиционных метода производства сот: расширение, гофрирование и формование — были разработаны к 1901 году для применения без сэндвичей. Что касается декоративного применения, то в первом десятилетии 20-го века производство расширенных сот достигло значительной степени автоматизации.
Сегодня сотовые сердцевины производятся посредством процесса расширения и процесса гофрирования из композитных материалов , таких как стеклопластик (также известный как стекловолокно), пластик, армированный углеродным волокном , пластик Nomex , армированный арамидной бумагой, или из металла (обычно алюминия ). [15]
Соты из металлов (например, алюминия) сегодня производятся методом расширения. Непрерывные процессы складывания сот из одного алюминиевого листа после разрезания прорезей были разработаны уже около 1920 года. [16] Непрерывное поточное производство металлических сот может осуществляться из металлических рулонов путем резки и гибки. [17]
Ячеистые термопластичные сердцевины (обычно из полипропилена ) обычно изготавливаются методом экструзии и обрабатываются блоком экструдированных профилей. [18] или экструдированные трубы [19] [20] из которых нарезаются сотовые листы.
Недавно был внедрен новый уникальный процесс производства сот из термопластических материалов, позволяющий осуществлять непрерывное производство. [21] изготовления сотового заполнителя, а также поточное производство сот с прямой ламинацией обшивки в экономичные сэндвич-панели. [22]
Приложения
[ редактировать ]Композитные сотовые конструкции используются во многих инженерных и научных приложениях.
| Область применения | Промышленность | Компания/Продукт |
|---|---|---|
| Гоночные снаряды | Спорт | Весполи , гоночные лодки Janousek |
| Аэрокосмическое производство | Аэрокосмическая промышленность | Euro-Composites, Hexcel , Plascore Incorporated , Schütz GmbH & Co.KGaA (Cormaster) |
| Планеры | Аэрокосмическая промышленность | Schleicher ASW 19 , Проект солнечного импульса |
| Вертолеты | Аэрокосмическая промышленность | Kamov Ka-25 , Bell 533 , Westland Lynx |
| Реактивный самолет | Аэрокосмическая промышленность | General Dynamics/Grumman F-111B , F-111 Aardvark , все коммерческие самолеты, начиная с Boeing 747. |
| Подконструкция ракеты | Аэрокосмическая промышленность | Приборный блок «Сатурн-5» , марсоход , S-520 |
| светодиодная технология | Освещение | СмартСлаб |
| Технология громкоговорителей | Аудио | Громкоговоритель#Дизайн драйвера: динамические громкоговорители , низкочастотный динамик |
| Зеркальная конструкция телескопа | Аэрокосмическая промышленность | Космический телескоп Хаббл |
| Конструкция автомобиля | Автомобильная промышленность | Panther Solo , Jaguar XJ220 , Dome F105 , Bluebird-Proteus CN7 , BMW i3 / i8 , Koenigsegg Agera |
| Сноуборды | Спорт | Сноуборд |
| Мебель | Деревообработка | Мебель |
Более поздние разработки показывают, что сотовые структуры также имеют преимущества в приложениях, связанных с массивами наноотверстий в анодированном оксиде алюминия . [23] микропористые массивы в тонких полимерных пленках , [24] соты из активированного угля , [25] и сотовые структуры с фотонной запрещенной зоной . [26]
Аэродинамика
[ редактировать ]
Сотовая сетка часто используется в аэродинамике для уменьшения или создания турбулентности ветра . Также используется для получения стандартного профиля в аэродинамической трубе (температура, скорость потока). Основным фактором при выборе правильной сетки является соотношение длин (длина и диаметр сотовых ячеек) L/d .
Соотношение длин < 1:Сотовые сетки небольшой длины можно использовать на передней решетке автомобиля . Помимо эстетических соображений, эти сетки используются в качестве экранов для получения однородного профиля и снижения интенсивности турбулентности. [27]
Соотношение длин >> 1:Сотовые сетки большого размера уменьшают боковую турбулентность и завихрения потока. В первых аэродинамических трубах они использовались без экранов; к сожалению, этот метод привел к высокой интенсивности турбулентности в испытательной секции. В большинстве современных туннелей используются как соты, так и экраны.
Хотя алюминиевые соты широко используются в промышленности, для конкретных применений предлагаются и другие материалы. Людям, использующим металлические конструкции, следует позаботиться об удалении заусенцев , поскольку они могут создать дополнительные завихрения. Конструкции из поликарбоната являются недорогой альтернативой.
Сотовый, экранированный центр этого воздухозаборника открытого типа для первой аэродинамической трубы Лэнгли обеспечивал устойчивый, нетурбулентный поток воздуха. Два механика позируют возле входного конца настоящего туннеля, куда воздух втягивался в испытательную секцию через сотовую структуру, чтобы сгладить поток.
Сотовое сечение — не единственное поперечное сечение, позволяющее уменьшить завихрения воздушного потока. Доступны и другие варианты квадратного, прямоугольного, круглого и шестиугольного поперечного сечения, хотя сотовый вариант обычно является предпочтительным выбором. [28]
Характеристики
[ редактировать ]
В сочетании с двумя слоями, нанесенными на соты, конструкция представляет собой сэндвич-панель с превосходной жесткостью при минимальном весе. Поведение сотовых структур является ортотропным , то есть панели реагируют по-разному в зависимости от ориентации конструкции. Поэтому необходимо различать направления симметрии , так называемые L и W-направление. L-направление является самым сильным и жестким направлением. Самое слабое направление находится под углом 60° к L-направлению (в случае правильного шестиугольника ), а наиболее податливое направление — W-направление. [1] Еще одним важным свойством сотового сэндвич-сердечника является его прочность на сжатие. Благодаря эффективной шестиугольной конфигурации, когда стены поддерживают друг друга, прочность на сжатие сотовых наполнителей обычно выше (при том же весе) по сравнению с другими конструкциями сэндвич-наполнителей, такими как, например, пенопластовые наполнители или гофрированные наполнители.
Механические свойства сот зависят от геометрии их ячеек, свойств материала, из которого они построены (часто называемого твердым), к которым относятся модуль Юнга, предел текучести и напряжение разрушения материала, а также относительная плотность сот (плотность сот, нормированная на плотность твердого тела, ρ * /ρ с ). [29] [30] Отношение эффективных модулей упругости к модулям Юнга твердого тела, например , и , сот низкой плотности не зависят от твердого тела. [31] Механические свойства сот также будут различаться в зависимости от направления приложения нагрузки.
Плоская нагрузка. При плоской нагрузке часто предполагается, что толщина стенки сотовой конструкции 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 . [29] [30] При достаточно высокой сжимающей нагрузке соты достигают критического напряжения и разрушаются по одному из следующих механизмов: упругому короблению, пластической текучести или хрупкому разрушению. [29] Характер разрушения зависит от материала твердого тела, из которого изготовлены соты. Упругое коробление клеточных стенок является причиной разрушения эластомерных материалов. [30] пластичные материалы разрушаются из-за пластической текучести, а хрупкое раздавливание является способом разрушения, когда твердое тело является хрупким. [29] [30] Упругое напряжение потери устойчивости пропорционально кубу относительной плотности, напряжение пластического разрушения пропорционально квадрату относительной плотности, а напряжение хрупкого разрушения пропорционально квадрату относительной плотности. [29] [30] После критического напряжения и разрушения материала в материале наблюдается напряжение плато, при котором наблюдается увеличение деформации, в то время как напряжение сотовой структуры остается примерно постоянным. [30] Как только будет достигнута определенная деформация, материал начнет уплотняться, поскольку дальнейшее сжатие сжимает стенки ячеек вместе. [30]
Нагрузка вне плоскости: При нагружении вне плоскости модуль Юнга правильных шестиугольных сот пропорционален относительной плотности сот. [29] Упругое напряжение потери устойчивости пропорционально (t/L). 3 а напряжение пластического выпучивания пропорционально (t/L) 5/3 . [29]
Форма сотовой ячейки часто варьируется в зависимости от различных технических применений. Формы, которые обычно используются помимо обычной шестиугольной ячейки, включают треугольные ячейки, квадратные ячейки, шестиугольные ячейки с круглым ядром и квадратные ячейки с круглым ядром. [32] Относительная плотность этих ячеек будет зависеть от их новой геометрии.
См. также
[ редактировать ]
- Осветительные отверстия
- Металлическая пена
- Полый профиль конструкции
- Композитный материал
- Композит сэндвич-структуры
- Система сэндвич-панелей
- Timoshenko beam theory
- Теория пластин
- Сэндвич-панель
- Треугольная структура
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Валь, Л.; Маас, С.; Вальдманн, Д.; Зурбес, А.; Фререс, П. (28 мая 2012 г.). «Сдвиговые напряжения в сотовых сэндвич-панелях: аналитическое решение, метод конечных элементов и экспериментальная проверка» . Журнал сэндвич-структур и материалов . 14 (4): 449–468. дои : 10.1177/1099636212444655 . S2CID 137530481 . Архивировано из оригинала 23 января 2022 года . Проверено 31 декабря 2018 г.
- ^ Диодор Сицилийский, Историческая библиотека , 1 век до н.э.
- ^ Макдональд, Уильям Л. (1976). Пантеон: замысел, значение и потомство . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. п. 33. ISBN 0674010191 .
В ней [ротонде] тут и там, на разных уровнях, есть отверстия, которые ведут в какие-то из множества различных камер, пронизывающих структуру ротонды, сот, являющихся неотъемлемой частью сложного инженерного решения...
- ^ Галилей, Г., Беседы и математические демонстрации вокруг двух новых наук , Лейден, Эльзевирс, 1638 г.
- ^ Гук, Р., Микрография , Лондон, Дж. Мартин и Дж. Аллестри, 1665 г.
- ^ Дарвин, К., О происхождении видов посредством естественного отбора , Лондон, Джон Мюррей, 1859 г.
- ^ Хайльбрун и Пиннер, Papiernetz , DE133165, 1901 г.
- ^ Юлиус Штайгель, Процесс производства искусственных сот , DE57655, 1890 г.
- ^ Кюстерманн, Ф.Х., Искусственные соты и инструменты для их производства , DE7031, 1879 г.
- ^ Хьюго Юнкерс, Покрытие для крыльев самолета и тому подобное , DE310040, 1915 г.
- ^ Хёфлер, Р. и С. Реньи, Панельное здание , DE355036, 1914 г.
- ^ Дорнье, К. Усовершенствования метода изготовления легких элементов конструкции или относящиеся к нему, особенно для авиастроения , GB515267, Dornier Metallbauten GmbH, 1937
- ^ «Общество клеев и клеев» . Уксаа-www.me.ic.ac.uk. 08.11.1904. Архивировано из оригинала 19 октября 2013 г. Проверено 13 февраля 2014 г.
- ^ «Холдинг EconHP — История /index.php» . Econhp.de. Архивировано из оригинала 18 июля 2011 г. Проверено 13 февраля 2014 г.
- ^ «Атрибуты и свойства сот Hexweb™» (PDF) . Композиты Hexcel. Архивировано из оригинала (PDF) 1 июня 2010 г. Проверено 21 сентября 2006 г.
- ^ [1] , Дин, HB (1919). Искусственные соты. США 1389294. США, Джон Д. Хоу.
- ^ «Lesjöfors разрабатывает инструмент для изобретения Ericsson» . Lesjoforsab.com . Проверено 13 февраля 2014 г.
- ^ Корпорация Нидапласт (08.11.2013). «Нидапласт Экология и Композиты, создание сотовых изделий из полипропилена» . Нидапласт.com. Архивировано из оригинала 5 июня 2014 г. Проверено 13 февраля 2014 г.
- ^ «Тубус-Вабен» . Тубус Вабен . Проверено 13 февраля 2014 г.
- ^ «Сотовые заполнители – изделия из сотовых панелей» . Пласкор . Проверено 13 февраля 2014 г.
- ^ «ТермХекс Вабен ГмбХ» .
- ^ «ЭконКор НВ» . EconCore.com . Проверено 03 октября 2014 г.
- ^ Масуда, Х. и Фукуда, К., (1995), Упорядоченные металлические массивы наноотверстий, полученные путем двухэтапного репликации сотовых структур анодного оксида алюминия, Science, 268 (5216), p. 1466.
- ^ Ябу, Х., Такебаяши, М., Танака, М. и Шимомура, М., 2005, Супергидрофобные и липофобные свойства самоорганизующихся сотовых и подушечковых структур, Ленгмюр, 21 (8), стр. 3235–3237.
- ^ Гадкари, К.П., (1998), Углеродные сотовые структуры для адсорбционных применений, Carbon, 36 (7–8), стр. 981–989.
- ^ Броенг Дж. и Барку С.Е. и Бьярклев А. и Найт Дж.К. и Биркс Т.А. и Рассел PSJ (1998), Сильно увеличенная фотонная запрещенная зона в структурах кремнезема/воздуха, Optics Communications, 156 (4–6) ), стр. 240–244.
- ^ Брэдшоу, Питер; Мехта, Лави. «Соты» . Проектирование аэродинамической трубы . Архивировано из оригинала 02 сентября 2011 г.
- ^ «Компоненты аэродинамической трубы» . Яркий Хаб . Архивировано из оригинала 20 ноября 2010 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Гибсон, Лорна Дж.; Эшби, МФ; Харли, Брендан А. (2010). Клеточные материалы в природе и медицине . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521195447 . OCLC 607986408 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: МакГроу Хилл. ISBN 978-0070285941 . OCLC 41932585 .
- ^ Торквато, С.; 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. дои : 10.1016/s0020-7403(97)00031-3 . ISSN 0020-7403 .
- ^ Чжан, Сяоху; Хуан, Гою; Шэнь, Чэн; Чжан, Сяохуэй; Октябрь 2015 г. «Биоинженерия сотовой структуры». Вдохновляйте человечество на инновации». Progress in Materials Science . 74 : 332–400. doi : 10.1016/j.pmatsci.2015.05.001 . ISSN 0079-6425 .