Когда говорят о прочности композитной сэндвич-панели, внимание часто сосредотачивается на наружных слоях: какое стекловолокно использовано, сколько слоёв уложено, какая выбрана смола.
Но сэндвич — это система из нескольких элементов.
Наружная обшивка + сердцевина + наружная обшивка работают совместно.
И при ударной нагрузке свойства материала внутри конструкции могут существенно влиять на то, как вся панель воспринимает и поглощает энергию.
Это хорошо видно в исследовании Robert White Energy absorption in sandwich laminate structures.
Автор изготовил серию стеклопластиковых сэндвич-панелей с одинаковым принципом построения, но разными пенными сердцевинами Divinycell и сравнил их при медленном продавливании без режущего воздействия.
Главный практический результат: способность исследованных конструкций поглощать энергию была связана с модулем при сжатии и модулем сдвига сердцевины.
Как устроена сэндвич-панель
В простейшем виде конструкция выглядит так:
Обшивки и сердцевина работают как единая конструкция, а не как независимые слои.
В исследовании на каждой стороне сердцевины находилось по четыре слоя стеклянного армирования.
Использовалось: биаксиальное E-glass −45/+45°, плотность 430 г/м², винилэфирная смола Atlac 580 AC 300, вакуумная инфузия.
То есть наружные стеклопластиковые части конструкции были сопоставимыми. Основным различием между образцами был использованный тип пенной сердцевины, при этом отдельные варианты отличались также геометрией технологических прорезей.
Какие сердцевины сравнивали
В работе использовали семь вариантов Divinycell:
| Сердцевина | Прочность при растяжении, МПа | Прочность при сжатии, МПа |
|---|---|---|
| H250 | 9,2 | 6,2 |
| H100 | 3,5 | 2,0 |
| H80GS | 2,5 | 1,4 |
| P150 | 2,45 | 2,30 |
| H60 | 1,8 | 0,9 |
| H45GS | 1,4 | 0,6 |
| P60 | 1,10 | 0,55 |
Эта таблица показывает различия по прочности сердцевин; ниже отдельно рассматриваются модули при сжатии и сдвиге, использованные автором для корреляционного анализа.
Уже здесь видна большая разница. Например: H250 — 6,2 МПа при сжатии, P60 — 0,55 МПа.
То есть назвать оба материала просто «пеной для сэндвича» недостаточно.
Как испытывали панели
Целью было смоделировать медленное продавливание без режущего воздействия, близкое по логике к столкновению судовой конструкции с препятствием.
В лабораторной установке металлическую сферу вдавливали в сэндвич-панель.
Под панелью находилось отверстие диаметром 76,5 мм, поэтому сфера могла пройти через конструкцию. Это позволяло панели деформироваться, перераспределять нагрузку и продолжать поглощать энергию до проникновения сферы через ламинат.
Это не универсальное испытание всех типов удара.
Важно: это не универсальное испытание «ударопрочности вообще». Речь идёт о конкретном режиме медленного продавливания без режущего воздействия.
Что происходило при нагружении
На графиках «сила — перемещение» у большинства исследованных образцов наблюдалась похожая последовательность: рост сопротивления, деформация, участок, близкий к линейному, перераспределение усилий, дальнейшее повреждение.
На части кривой «сила — перемещение» поведение конструкции можно было приближённо описать моделью эквивалентной пружины.
Но для практики важнее другое: разные сердцевины приводили к разному поведению всей панели.
Сердцевина — не просто заполнитель
Пенный материал внутри панели имеет собственные механические характеристики.
Наиболее тесную связь с экспериментальной жёсткостью конструкции в этой серии показали модуль при сжатии и модуль сдвига сердцевины.
Автор сопоставил значения этих параметров из технических данных сердцевин с экспериментальной жёсткостью полученных сэндвичей.
В исследованной серии коэффициент детерминации между экспериментальной жёсткостью конструкции и модулем при сжатии сердцевины составил около R² = 0,905, а с модулем сдвига — около R² = 0,883.
По данным Robert White, Energy absorption in sandwich laminate structures, 2010.
Связь получена для конкретной серии испытанных сэндвич-панелей и не является универсальной зависимостью для любых композитных конструкций. Точки на графике схематичны и показывают только характер связи, а не координаты образцов из источника.
Почему это важно
Можно представить две панели:
Панель А: стеклопластиковая обшивка + сердцевина А + стеклопластиковая обшивка.
Панель Б: та же обшивка + сердцевина Б + та же обшивка.
Формально обе можно назвать «стеклопластиковая сэндвич-панель с пенным сердечником».
Но под локальной нагрузкой они могут вести себя по-разному, потому что нагрузку воспринимают не отдельные материалы, а вся конструкция.
Поэтому выбор сердцевины нельзя сводить только к толщине, плотности или снижению массы.
Более прочная пена автоматически означает лучшую панель?
Нет. Из исследования нельзя делать такой вывод.
Использованные сердцевины отличались не только механическими характеристиками. Часть пен имела канавки, прорези, технологические разрезы.
При инфузии такие зоны могут заполняться смолой. Если прорезь проходит через сердцевину, между обшивками может формироваться дополнительная смоляная перемычка.
Автор отмечает, что это способно влиять на свойства конструкции при сжатии и одновременно увеличивать массу. Но этот эффект подробно не исследовался.
Поэтому нельзя построить универсальный рейтинг вида «самый высокий модуль = лучший сердечник». Нужно оценивать работу всей конструкции.
Сколько энергии поглощали панели
В работе приведены экспериментальные значения энергии к концу испытания:
| Сердцевина | Энергия к завершению испытания |
|---|---|
| P60 | ≈1070 Дж |
| H80GS | ≈1244 Дж |
| H100 | ≈1317 Дж |
| P150 | ≈1474 Дж |
| H45GS | ≈1525 Дж |
| H250 | ≈1585 Дж* |
| H60 | ≈1675 Дж |
* Для H250 полное проникновение в испытании не было достигнуто, поэтому конечное значение нельзя трактовать полностью так же, как результаты остальных образцов. Эти значения относятся к конкретной системе обшивок, сердцевин и режиму испытания и не являются рейтингом материалов Divinycell.
Эти значения нельзя использовать как рейтинг Divinycell: образцы отличались не только механическими характеристиками сердцевин, а для H250 полное проникновение не было достигнуто.
Почему нельзя выбрать сердцевину только по этой таблице
Автор отдельно ограничивает применимость исследования.
Результат работы сэндвича зависит не только от сердцевины, но и от типа армирования, смолы, количества слоёв, технологии изготовления, механизма разрушения, расслоения, температуры, геометрии сердцевины.
Поэтому данные этого эксперимента нельзя напрямую переносить на другую конструкцию.
Автор рекомендует выполнять калибровочные испытания на панели из тех материалов, которые реально планируется использовать.
Даже при одинаковых стеклопластиковых обшивках изменение характеристик сердцевины может заметно изменить поведение всей сэндвич-панели под локальной нагрузкой. Характеристика пены из технического паспорта может служить одним из ориентиров при предварительной оценке поведения конструкции, но не заменяет испытание готового сэндвича.
Что это означает на практике
Если сэндвич-конструкция должна воспринимать ударные или локальные нагрузки, недостаточно определить «какую стеклопластиковую обшивку мы сделаем?»
- Наружные стеклопластиковые слои
- Материал сердцевины
- Толщину сердцевины
- Модуль при сжатии
- Модуль сдвига
- Геометрию и прорези сердечника
- Связь сердцевины с обшивками
- Технологию изготовления
- Характер ожидаемой нагрузки
Правильный инженерный вопрос — не «какая пена прочнее?», а «как эта сердцевина будет работать вместе с выбранными обшивками в конкретной конструкции и при конкретном типе нагрузки?»
Главное
В исследовании Robert White сравнивались стеклопластиковые сэндвич-панели с семью различными пенными сердцевинами.
При одинаковом принципе построения обшивок панели показывали различное поведение при продавливании.
Экспериментальная жёсткость конструкции показала тесную связь с модулем при сжатии сердцевины (R² ≈ 0,905) и модулем сдвига (R² ≈ 0,883).
Но автор отдельно предупреждает: эти результаты нельзя автоматически переносить на сэндвичи с другим армированием, смолой, геометрией и технологией изготовления.
Поэтому сердцевина — не просто лёгкий материал между двумя обшивками. Её механические свойства являются частью механики всей конструкции и могут существенно влиять на то, как сэндвич воспринимает и поглощает энергию нагрузки.
В статье используются данные по свойствам сердцевин, энергии поглощения, силе и перемещению, эквивалентной жёсткости, связи жёсткости конструкции с модулем при сжатии и модулем сдвига сердцевины. Все графики и схемы на странице — собственная переработанная визуализация Академии по данным работы.
- Robert White. Energy absorption in sandwich laminate structures. Degree Thesis, Arcada, Industrial Management, 2010.
Консультация Академии по конструкции и материалам
Эксперты Академии могут помочь подобрать сочетание обшивок, сердцевины и смолы, оценить технологию изготовления и определить, какие характеристики действительно критичны для заданной нагрузки и условий эксплуатации.
Получить консультацию →