Struktura plastra miodu - Honeycomb structure

Obraz aluminiowej struktury plastra miodu.

Struktura plastra miodu w przyrodzie

Struktury o strukturze plastra miodu to naturalne lub wykonane przez człowieka struktury, które mają geometrię plastra miodu, aby umożliwić minimalizację ilości użytego materiału, aby osiągnąć minimalną wagę i minimalny koszt materiału. Geometria struktur plastra miodu może się znacznie różnić, ale wspólną cechą wszystkich takich struktur jest szereg pustych komórek utworzonych pomiędzy cienkimi pionowymi ściankami. Komórki mają często kształt kolumnowy i sześciokątny . Struktura w kształcie plastra miodu zapewnia materiał o minimalnej gęstości i stosunkowo wysokich właściwościach ściskania poza płaszczyzną i ścinania poza płaszczyzną .

Wytwarzane przez człowieka materiały konstrukcyjne o strukturze plastra miodu są zwykle wytwarzane przez ułożenie warstwy materiału o strukturze plastra miodu między dwiema cienkimi warstwami, które zapewniają wytrzymałość na rozciąganie. Tworzy to zespół podobny do płyty. Materiały o strukturze plastra miodu są szeroko stosowane tam, gdzie potrzebne są płaskie lub lekko zakrzywione powierzchnie, a ich wysoka wytrzymałość właściwa jest cenna. Z tego powodu są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym , a materiały o strukturze plastra miodu w postaci aluminium, włókna szklanego i zaawansowanych materiałów kompozytowych są stosowane w samolotach i rakietach od lat 50. XX wieku. Można je również znaleźć w wielu innych dziedzinach, od materiałów opakowaniowych w postaci papierowej tektury o strukturze plastra miodu, po artykuły sportowe, takie jak narty i deski snowboardowe.

Wstęp

Naturalne struktury plastra miodu obejmują ule , wietrzenie plastra miodu w skałach, flaki i kości .

Sztuczne struktury plastra miodu obejmują kompozyty o strukturze przekładkowej z rdzeniami o strukturze plastra miodu . Sztuczne struktury plastra miodu są wytwarzane przy użyciu różnych materiałów, w zależności od zamierzonego zastosowania i wymaganych właściwości, od papieru lub tworzyw termoplastycznych , stosowanych do niskiej wytrzymałości i sztywności w zastosowaniach o niskim obciążeniu, do wysokiej wytrzymałości i sztywności do zastosowań o wysokiej wydajności, z aluminium lub tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem. Wytrzymałość paneli laminowanych lub warstwowych zależy od rozmiaru panelu, użytego materiału okładzinowego oraz liczby lub gęstości znajdujących się w nim komórek o strukturze plastra miodu. Kompozyty o strukturze plastra miodu są szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu, od przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i meblarskiego po pakowanie i logistykę. Materiał wziął swoją nazwę od wizualnego podobieństwa do plastra miodu pszczoły – heksagonalnej struktury arkusza.

Historia

Sześciokątny grzebień pszczoły miodnej był podziwiany i zastanawiany od czasów starożytnych. Według mitologii greckiej pierwszy sztuczny plaster miodu został wyprodukowany przez Dedala ze złota przez odlewanie z wosku traconego ponad 3000 lat temu. Marcus Varro donosi, że greccy geometrzy Euklides i Zenodorus odkryli, że sześciokątny kształt najbardziej efektywnie wykorzystuje przestrzeń i materiały budowlane. Wnętrze komory ściągacz i ukryte w kopule na Panteon w Rzymie jest wczesnym przykładem strukturze plastra miodu.

Galileo Galilei omawia w 1638 r. odporność pustych brył: „Sztuka, a jeszcze bardziej przyroda, wykorzystuje je w tysiącach operacji, w których zwiększa się wytrzymałość bez zwiększania masy, jak widać na kościach ptaków i na wielu łodygach, które są lekki i bardzo odporny na zginanie i łamanie”. Robert Hooke odkrywa w 1665, że naturalna struktura komórkowa korka jest podobna do heksagonalnego plastra pszczoły miodnej. a Charles Darwin stwierdza w 1859, że „grzebień pszczoły ulowej, o ile my widać, jest absolutnie doskonały w oszczędzaniu pracy i wosku”.

Pierwsze papierowe struktury plastra miodu mogły być wykonane przez Chińczyków 2000 lat temu dla ozdób, ale nie znaleziono na to żadnego odniesienia. Papierowe plastry miodu i proces produkcji ekspansji zostały wynalezione w Halle/Saale w Niemczech przez Hansa Heilbruna w 1901 roku do zastosowań dekoracyjnych. Pierwsze struktury plastra miodu z blachy falistej zostały zaproponowane do hodowli pszczół w 1890 roku. W tym samym celu, jako arkusze fundamentowe do zbierania większej ilości miodu, w 1878 roku opatentowano proces formowania plastra miodu przy użyciu mieszanki kleju z pasty papierowej. Trzy podstawowe techniki produkcja plastra miodu, która jest nadal używana do dziś – ekspandowanie, falowanie i formowanie – została już opracowana w 1901 roku do zastosowań innych niż kanapki.

Hugo Junkers po raz pierwszy zbadał ideę rdzenia o strukturze plastra miodu w strukturze laminatu. Zaproponował i opatentował pierwsze rdzenie o strukturze plastra miodu do zastosowania w samolotach w 1915 roku. Szczegółowo opisał swoją koncepcję zastąpienia konstrukcji samolotów pokrytych tkaniną blachami i doszedł do wniosku, że blacha może być również obciążona ściskaniem, jeśli jest podparta w bardzo małych odstępach poprzez ułożenie obok siebie szeregu kwadratowych lub prostokątnych komórek lub trójkątnych lub sześciokątnych pustych korpusów. Problem wiązania ciągłej powłoki z rdzeniami komórkowymi doprowadził później Junkersa do otwartej struktury falistej, którą można było nitować lub zespawać.

Pierwsze zastosowanie struktur o strukturze plastra miodu do zastosowań konstrukcyjnych zostało niezależnie zaproponowane do zastosowań budowlanych i opublikowane już w 1914 roku. W 1934 Edward G. Budd opatentował spawaną stalową płytę warstwową o strukturze plastra miodu z blachy falistej, a Claude Dornier w 1937 roku miał na celu rozwiązanie warstwy rdzenia. problem z wiązaniem poprzez zwijanie lub dociskanie skóry, która jest w stanie plastycznym, do ścian komórek rdzenia. Pierwszy sukces strukturalne klejenie struktur warstwowych o strukturze plastra miodu został osiągnięty przez Normana de Bruyne z Aero badawcze ograniczone , który opatentowany klej z prawej lepkości do filetów z żywicy forma na rdzeniu o strukturze plastra miodu w 1938. The North American XB-70 Valkyrie korzysta w szerokim od stali nierdzewnej płyt o strukturze plastra miodu za pomocą lutowania twardego procesu są rozwinięte.

XB-70 Centrum Badań Lotów Dryden w 1968 r.

Podsumowanie ważnych wydarzeń w historii technologii plastra miodu znajduje się poniżej:

• 60 pne Diodorus Siculus donosi o złotym plastrze miodu wyprodukowanym przez Dedala poprzez odlewanie z wosku traconego .
• 36 pne Marcus Varro informuje o najbardziej efektywnym wykorzystaniu przestrzeni i materiałów budowlanych dzięki sześciokątnemu kształtowi.
• 126 Panteon został przebudowany w Rzymie przy użyciu konstrukcji kasetonowej , zatopionej płyty w kształcie kwadratu, aby podtrzymać jego kopułę.
• 1638 Galileo Galilei omawia wydrążone ciała stałe i zwiększanie ich wytrzymałości bez zwiększania masy.
• 1665 Robert Hooke odkrywa, że ​​naturalna struktura komórkowa korka jest podobna do heksagonalnego plastra pszczelego.
• 1859 Karol Darwin stwierdza, że ​​grzebień pszczoły ulowej jest absolutnie doskonały w oszczędzaniu pracy i wosku.
• 1877 FH Küstermann opracowuje proces formowania plastra miodu przy użyciu mieszanki kleju do papieru.
• 1890 Julius Steigel opracowuje proces produkcji plastra miodu z blachy falistej.
• 1901 Hans Heilbrun opracowuje sześciokątne papierowe plastry miodu i proces produkcji ekspansji.
• 1914 R. Höfler i S. Renyi opatentowali pierwsze zastosowanie struktur plastra miodu do zastosowań konstrukcyjnych.
• 1915 Hugo Junkers opatentowuje pierwsze rdzenie o strukturze plastra miodu do zastosowań lotniczych.
• 1931 George Thomson proponuje użycie dekoracyjnych plastrów miodu z ekspandowanego papieru do lekkich płyt gipsowo-kartonowych.
• 1934 Edward G. Budd opatentował spawaną stalową płytę warstwową o strukturze plastra miodu z blachy falistej.
• 1937 Claude Dornier patentuje płytę warstwową o strukturze plastra miodu ze skórkami wciśniętymi w stan plastyczny w ściany komórek rdzenia.
• 1938 Norman de Bruyne patentuje klejenie strukturalne struktur warstwowych o strukturze plastra miodu.
• 1941 John D. Lincoln proponuje zastosowanie rozszerzonego papieru o strukturze plastra miodu w osłonach samolotów
• 1948 Roger Steele stosuje proces ekspansji produkcyjnej przy użyciu arkuszy kompozytowych wzmacnianych włóknami.
• 1969 Boeing 747 wykorzystuje rozległe ognioodporne plastry miodu z kompozytów Hexcel przy użyciu papieru z włókien aramidowych Nomex firmy DuPont.
• Lata 80. Wprowadzono termoplastyczne plastry miodu wytwarzane w procesach ekstruzji.

Produkcja

Struktura amortyzująca o strukturze plastra miodu wykonana z formowanego wtryskowo termoplastycznego polimeru w BMW i3

Trzy tradycyjne techniki produkcji plastra miodu, rozszerzanie, falowanie i formowanie, zostały opracowane w 1901 roku do zastosowań innych niż kanapki. W przypadku zastosowań dekoracyjnych produkcja rozszerzonego plastra miodu osiągnęła niezwykły stopień automatyzacji w pierwszej dekadzie XX wieku.

Rdzenie już o strukturze plastra miodu są wytwarzane za pomocą procesu spieniania, a proces falistego z materiałów kompozytowych takich jak tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem szklanym (znany również jako włókna szklanego), włókien węglowych tworzyw sztucznych , Nomex papieru aramid wzmocnionego tworzywa sztucznego lub z metalu (z reguły aluminium ).

Plastry miodu z metali (takich jak aluminium) są obecnie produkowane w procesie ekspansji. Ciągłe procesy składania plastrów miodu z pojedynczej blachy aluminiowej po cięciu szczelin zostały opracowane już około 1920 roku. Ciągła produkcja plastrów miodu w linii może odbywać się z metalowych rolek poprzez cięcie i gięcie.

Termoplastyczne rdzenie o strukturze plastra miodu (zwykle z polipropylenu ) są zwykle wytwarzane przez wytłaczanie przetwarzane przez blok wytłaczanych profili lub wytłaczanych rur, z których tnie się arkusze o strukturze plastra miodu.

Ostatnio wdrożono nowy, unikalny proces produkcji termoplastów, który pozwala na ciągłą produkcję rdzenia o strukturze plastra miodu, a także na produkcję liniową plastrów miodu z bezpośrednim laminowaniem skór w opłacalne panele warstwowe.

Aplikacje

Kompozytowe struktury plastra miodu zostały wykorzystane w wielu zastosowaniach inżynieryjnych i naukowych.

Nowsze osiągnięcia pokazują, że struktury typu plaster miodu są również korzystne w zastosowaniach obejmujących matryce nanootworów w anodowanym tlenku glinu , matryce mikroporowate w cienkich foliach polimerowych , struktury typu plaster miodu z węglem aktywnym i struktury typu plaster miodu z fotoniczną przerwą energetyczną.

Aerodynamika

Plaster miodu, ekranowany środek pierwszego tunelu aerodynamicznego Langley

Siatka o strukturze plastra miodu jest często używana w aerodynamice w celu zmniejszenia lub wytworzenia turbulencji wiatru . Służy również do uzyskania standardowego profilu w tunelu aerodynamicznym (temperatura, prędkość przepływu). Głównym czynnikiem przy wyborze odpowiedniej siatki jest stosunek długości (długość do średnicy komórki plastra miodu) L/d .

Stosunek długości < 1: Siatki o strukturze plastra miodu o niskim stosunku długości mogą być stosowane na przedniej kratce pojazdu . Poza względami estetycznymi siatki te wykorzystywane są jako ekrany w celu uzyskania jednolitego profilu i zmniejszenia intensywności turbulencji.

Stosunek długości >> 1 o strukturze plastra miodu oczka duży stosunek długości zmniejszenie turbulencji poprzeczny oraz zawirowania przepływu. Wczesne tunele aerodynamiczne używały ich bez ekranów; niestety metoda ta wprowadziła dużą intensywność turbulencji na odcinku testowym. Większość nowoczesnych tuneli wykorzystuje zarówno plaster miodu, jak i ekrany.

Chociaż aluminiowe plastry miodu są powszechnie stosowane w przemyśle, inne materiały są oferowane do konkretnych zastosowań. Osoby korzystające z konstrukcji metalowych powinny zadbać o usuwanie zadziorów, ponieważ mogą one wprowadzać dodatkowe turbulencje. Struktury poliwęglanowe są tanią alternatywą.

Plaster miodu, ekranowany środek tego otwartego wlotu powietrza dla pierwszego tunelu aerodynamicznego Langley zapewniał stały, pozbawiony turbulencji przepływ powietrza. Dwóch mechaników znajduje się w pobliżu wejścia do właściwego tunelu, gdzie powietrze zostało wciągnięte do sekcji testowej przez układ plastra miodu, aby wygładzić przepływ.

Plaster miodu nie jest jedynym przekrojem dostępnym w celu zmniejszenia wirów w przepływie powietrza. Inne dostępne opcje to kwadratowe, prostokątne, okrągłe i sześciokątne przekroje, chociaż ogólnie preferowanym wyborem jest plaster miodu.

Nieruchomości

Kompozytowy panel warstwowy (A) z rdzeniem o strukturze plastra miodu (C) i arkuszami licowymi (B)

W połączeniu z dwiema powłokami nałożonymi na plaster miodu, struktura oferuje panel warstwowy o doskonałej sztywności przy minimalnej wadze. Zachowanie struktur plastra miodu jest ortotropowe , co oznacza, że ​​panele reagują różnie w zależności od orientacji struktury. Dlatego konieczne jest rozróżnienie kierunków symetrii , tzw. kierunku L i W. Kierunek L to kierunek najsilniejszy i najsztywniejszy. Najsłabszym kierunkiem jest 60° od kierunku L (w przypadku foremnego sześciokąta ), a najbardziej podatnym kierunkiem jest kierunek W. Inną ważną właściwością warstwowego rdzenia o strukturze plastra miodu jest jego wytrzymałość na ściskanie. Ze względu na wydajną konfigurację sześciokątną, w której ściany wspierają się nawzajem, wytrzymałość na ściskanie rdzeni o strukturze plastra miodu jest zazwyczaj wyższa (przy tej samej wadze) w porównaniu z innymi strukturami rdzenia warstwowego, takimi jak na przykład rdzenie piankowe lub rdzenie faliste.

Właściwości mechaniczne plastrów miodu zależą od ich geometrii komórek, właściwości materiału, z którego zbudowano plaster miodu (często określanego jako bryła), które obejmują moduł Younga, granicę plastyczności i naprężenie pękające materiału oraz względne gęstość plastra miodu (gęstość plastra miodu znormalizowana przez gęstość ciała stałego, ρ ^* / ρ _s ). Stwierdzono, że moduły sprężystości plastrów miodu o małej gęstości są niezależne od ciała stałego. Właściwości mechaniczne plastrów miodu będą się również różnić w zależności od kierunku przyłożenia obciążenia.

Obciążenie w płaszczyźnie: Przy obciążeniu w płaszczyźnie często zakłada się, że grubość ścianki plastra miodu jest mała w porównaniu do długości ściany. W przypadku zwykłego plastra miodu gęstość względna jest proporcjonalna do stosunku grubości ścianki do długości ścianki (t/L), a moduł Younga jest proporcjonalny do (t/L) ³ . Przy wystarczająco dużym obciążeniu ściskającym plaster miodu osiąga krytyczne naprężenie i ulega awarii z powodu jednego z następujących mechanizmów – elastycznego wyboczenia, plastyczności lub kruchego zgniatania. Tryb zniszczenia zależy od materiału bryły, z której wykonany jest plaster miodu. Elastyczne wyboczenie ścianek komórek jest przyczyną zniszczenia materiałów elastomerowych, materiały ciągliwe zawodzą z powodu plastyczności, a kruche kruszenie jest przyczyną zniszczenia, gdy ciało stałe jest kruche. Elastyczne naprężenie wyboczeniowe jest proporcjonalne do względnej gęstości do sześcianu, plastyczne naprężenie przy zgniataniu jest proporcjonalne do względnej kwadratu gęstości, a naprężenie kruszenia kruche jest proporcjonalne do względnej kwadratu gęstości. Po krytycznym naprężeniu i zniszczeniu materiału w materiale obserwuje się naprężenie plateau, w którym obserwuje się wzrost odkształcenia, podczas gdy naprężenie plastra miodu pozostaje w przybliżeniu stałe. Po osiągnięciu pewnego naprężenia materiał zacznie ulegać zagęszczaniu, ponieważ dalsze ściskanie ściska ściany komórkowe.

Obciążenie poza płaszczyzną: Przy obciążeniu poza płaszczyzną moduł Younga regularnych sześciokątnych plastrów miodu poza płaszczyzną jest proporcjonalny do względnej gęstości plastra miodu. Elastyczne naprężenie wyboczeniowe jest proporcjonalne do (t/L) ^3, natomiast naprężenie plastyczne wyboczeniowe jest proporcjonalne do (t/L) ^5/3 .

Kształt komórki o strukturze plastra miodu jest często zmieniany, aby sprostać różnym zastosowaniom inżynieryjnym. Kształty, które są powszechnie używane poza regularną komórką sześciokątną, obejmują komórki trójkątne, komórki kwadratowe i komórki sześciokątne z okrągłym rdzeniem oraz komórki kwadratowe z okrągłym rdzeniem. Względne gęstości tych komórek będą zależeć od ich nowej geometrii.

Zobacz też

Kratka o strukturze plastra miodu stosowana na wentylatorze komputera do zakrywania łopatek wentylatora.

• Rozjaśnianie dziur
• Pianka metalowa
• Pusta sekcja konstrukcyjna
• Materiał kompozytowy
• Kompozyt warstwowy o strukturze warstwowej
• System płyt warstwowych
• Teoria wiązki Tymoszenko
• Teoria płytowa
• Panel kanapkowy
• Struktura trójkąta

Bibliografia