El comportament de les escumes de farciment en impactar amb estructures sandvitx

El dispositiu per a assajos d'impacte, H + (patent en curs) produït en la Universitat de Ciències Aplicades de Windisch, Suïssa (FHNW) permet estudiar el comportament dels panells en rebre un impacte. La força de l'impacte es determina indirectament a través de mesures d'oscil en un suport d'impacte d'assaig. D'aquesta manera, les càrregues, així com el desplaçament durant tot el procés de càrrega, és a dir, també més enllà del límit lineal de força de càrrega / deformació, es mesuren amb més precisió que en assajos d'impacte per caiguda de pes amb instrumentació convencional.

Per obtenir resultats comparables de diversos materials nucli i idèntiques pells, es van dur a terme assaigs d'impacte amb el nou dispositiu H +. En els assaigs inicials presentats a continuació, només es van assajar tres panells per cada material nucli. Es van mesurar dinàmicament els diagrames càrrega-temps i desplaçament-temps durant cada assaig i posteriorment es van avaluar.

Els panells sandwich a assajar només diferien en el tipus de material nucli, tots els laminats tenien idèntica configuració. L'ordre de les capes va ser el següent: capes alternes de teixit de 600 g / m ² (WR) i mats de fibra tallada de 300 g / m ² (CSM). El gruix del nucli en tots els panells era de 10 mm. La figura 1 mostra una imatge del conjunt sandvitx d'un panell d'assaig abans d'envasar al buit. Les mostres finals es van tallar de panells de 1x1 m2 aproximadament produïts per infusió al buit amb el sistema de la resina epoxy: Araldit LY564 amb llaurada 22962 hardener, ambdós adquirits a Huntsman Advanced Materials. La prova d'impacte en perpendicular es va dur a terme amb panells sandvitx de 300 mm x 300 mm i els de 300 mm x 100 mm es van assajar en horitzontal.

Per a la recerca dinàmica del comportament a l'impacte de diferents panells sandwich, es va dissenyar el dispositiu H + segons els requisits de l'Institut de Tecnologia de Polímers i es va fabricar a la Universitat de Ciències Aplicades, Windisch, Suïssa. Les mostres, monolítiques o sandvitx, poden assajar en perpendicular o en horitzontal. La instal lació completa té una alçada d'uns 4 m L'equip d'assaig, és a dir el dispositiu d'impacte i els seus mecanismes, es recolza en dues bigues verticals d'acer. Més avall, una bigueta creuada sosté un suport d'acer amb una fixació del marc de la mostra per a cada un dels dos tipus d'impacte. El dispositiu d'impacte s'accelera per pressió pneumàtica qual cosa permet diversos nivells de càrrega, la forma que colpeja el panell es mostra amb una energia cinètica ben definida. L'acceleració durant l'impacte es mesura com una funció del temps a través les oscil lacions del suport d'assaig per mitjà dels sensors a ell units. La massa sísmica de tot el conjunt és elevada i per tant la seva pròpia freqüència, també elevada, evita la interferència amb les oscil·lacions de la mostra. Les dades es passen a un diagrama càrrega-temps i posteriorment a una càrrega-desplaçament. Finalment es calcula l'energia total de l'impacte per la integració del gràfic càrrega-temps. A més, tots els assaigs es graven amb una càmera lenta a velocitat de 10 kHz i una resolució de 512 x 512 píxels. En tots els assaigs, s'accelerava el dispositiu d'impacte a una velocitat constant de 18,45 m / s (66,6 km / h respectivament), que és una velocitat mitjana característica en transport.

Per als assaigs en perpendicular es va usar un dispositiu d'impacte esfèric de 57 mm de diàmetre i 7.99 kg de pes. Els plafons, amb unes dimensions de 300 x 300 mm, estaven col locats en un suport-marc fix. El dispositiu cau sobre els panells en direcció perpendicular al pla del material nucli. Es dóna la màxima absorciónd'energia quan es causa el major dany. Així, per uns resultats representatius en termes d'absorció d'energia d'un sandvitx, és de vital importància que la penetració en els panells sigui completa.

Per als assajos en horitzontal, es va haver d'usar un dispositiu en forma cilíndrica (diàmetre 22 mm, eix perpendicular al pla del panell) i 7.7 kg de pes, per evitar la deslaminació entre el nucli i les pells deguda a la forma del dispositiu d'impacte. A més, es va dissenyar un tipus especial de suport fix per mantenir els panells en posició i evitar lliscament lateral durant l'assaig.

El material monolític Airex PXw.320 supera clarament als nuclis de contraxapat i de Airex PXc.245. Si comparem el total d'energies absorbides dels sistemes, veurem que el del sandvitx amb nucli de fusta de bassa Baltek SB.150 és superior. La màxima força durant els assajos d'impacte és menor que en altres panells sandwich. El poliuretà reforçat amb teixit PXw.320 mostra propietats comparables a les dels nuclis de PET (Airex T91.100) i de PVC (Airex C70.75). La figura 7 mostra un panell d'assaig amb nucli de Baltek SB.150 després de la prova.

En general, el nucli de PET (Airex T91.100) va donar pitjors resultats, mentre que els de fusta de bassa (Baltek SB.150) i del nucli de PVC reticulat (Airex C70.75) són semblants.

Ha de constatar que en el cas del nucli de PVC, durant els assajos es van doblar les pells i va lliscar del marc de fixació. Aquest efecte es va traduir en un consum addicional d'energia i per tant va distorsionar els resultats. De fet, s'espera que l'absorció d'energia només relacionada amb la deformació i el dany a l'estructura sigui inferior per al nucli de Airex C70.75.

Per als panells monolítics, el comportament davant l'impacte coplanar del contraxapat i del poliuretà, tant el reforçat amb teixit i com el continu, (Airex PXw.320.) En la peça elàstica és similar. Però en total, la major quantitat d'energia va ser absorbit pel Airex PXw.

En els assaigs d'aquest treball, es va escollir l'energia de l'impacte per tal d'arribar a una fallada catastròfica, és a dir, penetració completa de la mostra. Les següents imatges (figures 10) mostren les diferents fases d'un assaig d'impacte en perpendicular en un sandvitx amb nucli de PET (Airex T91.100). Es mostra i es comenta la seva connexió amb els diagrames càrrega-temps i càrrega-desplaçament, igual que els mecanismes d'absorció d'energia dels compòsits. En una fase inicial trobem un comportament gairebé elàstic-lineal, seguit d'una deformació plàstica del nucli i finalment una caiguda de càrrega, causa de l'inici del trencament. A la figura 10.c) es forma un trencament a la superfície de la pell superior seguida de consum d'energia addicional a través de la deformació de la segona pell i del nucli fins que en el segon màxim aquesta pell també es trenca. Finalment, el dispositiu d'impacte penetra en la segona pell (figura 10.d) i les oscil·lacions del panell s'aturen.

Aquest efecte està relacionat amb les majors magnituds de resistència / mòdul de cisalla i de compressió del nucli de fusta de bassa, que permeten una transferència de càrrega més eficient des de la pell superior a la inferior. Els nuclis de PET (Airex T91.100) i de PVC reticulat (Airex C70.75) mostren una caiguda més diferenciada en la càrrega després del pendent inicial elàstica-lineal, relacionada amb el trencament de les pells superiors i la deformació del nucli .

En els assaigs coplanars, es va trobar un comportament completament diferent. El dispositiu d'impacte entra a la mostra, es deforma el nucli i es trenquen les pells, la qual cosa es tradueix en un pendent d'aspecte lineal. La deslaminació del nucli i de les pells s'inicia en el punt d'impacte), les pells s'esquincen més enllà d'aquest punt. Finalment, el nucli s'esquinça en el pla paral·lel a la superfície. La combinació de trencament i cisallament del nucli es propaga més fins que el dispositiu d'impacte surt de la mostra. Els nuclis de fusta de bassa (Baltek SB.150) i de PVC (Airex C70.75) consumeixen gairebé la mateixa quantitat d'energia. El nucli de PET (Airex T91.100) consumeix menys, la qual cosa podria tenir relació amb el seu comportament més trencadís.

En general, l'absorció d'energia de les mostres monolítiques és menys constant que la dels panells sandvitx i la diferència entre l'impacte perpendicular i l'horitzontal és molt més important. La càrrega es transmet pràcticament directament des de l'inici de l'impacte, després de la càrrega màxima, es dóna una caiguda constant fins que es produeix la penetració del panell.

i càrrega-desplaçament.

Pel que fa a l'absorció d'energia, el nucli de fusta de bassa (Baltek SB.150) va superar clarament als altres materials però no tant com s'esperava, la base de la resistència / mòdul de cisalla. En aplicacions que requereixin ràtios alts pes / duresa, el Airex C70.75 i el Airex T91.100 són més atractius. Per al panell monolític de poliuretà (Airex PXw.320) i fibra contínua combinada amb reforços de teixit, es va trobar que l'absorció d'energia d'impacte era comparable a la dels nuclis d'escuma. De fet, aquest material podria usar-se com a substitut del contraxapat o fins i tot per algunes peces de sandvitx, on la ràtio pes / duresa no és de crucial importància.