Сотовые конструкции — это природные или искусственные конструкции , которые имеют 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. Сотовая структура обеспечивает материал с минимальной плотностью и относительно высокими свойствами внеплоскостного 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 ценна их высокая удельная прочность . 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.
К естественным сотовым структурам относятся ульи , соты, выветрившиеся в камнях , рубец и кости .
Искусственные сотовые конструкции включают в себя 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 низкой нагрузкой , до высокой прочности и жесткости для применений с низкими нагрузками. высокопроизводительные приложения 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.
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] Роберт Гук в 1665 году обнаружил, что естественная клеточная структура пробки аналогична шестиугольным сотам медоносных пчел. [5] и Чарльз Дарвин утверждает в 1859 году, что «соты улья пчела, насколько мы видим, совершенно совершенна в 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, что и фундаментные листы для сбора большего количества меда, в 1878 году был запатентован процесс формования сот с использованием клеевой смеси бумажной пасты. [9] ] Три основных метода производства сот, 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. Он предложил и запатентовал первые сотовые заполнители для применения в самолетах в 1915 году. [10] Он подробно описал свою концепцию замены обтянутых тканью конструкций самолетов металлическими листами и пришел к выводу, что металлический лист также может подвергаться сжатию, если его поддерживать при очень маленькие интервалы путем расположения рядом рядов квадратных или прямоугольных ячеек или треугольных или шестиугольных полых тел. Проблема соединения непрерывной обшивки с ячеистыми сердечниками позже привела Юнкерса 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 Дж. Бадд запатентовал сварную стальную сотовую сэндвич-панель из гофрированных металлических листов, а Клод Дорнье в 1937 году поставил задачу решить эту проблему. проблема соединения ядра с кожей из-за скатывания или прижимания кожицы, находящейся в пластичном состоянии, к стенкам ядра клетки. [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] The North American XB -70 Valkyrie широко использовала сотовые панели из нержавеющей стали , используя разработанный ими процесс пайки .
Краткое изложение важных событий в истории сотовой технологии представлено ниже: [14]
Три традиционных метода производства сот: расширение, гофрирование и формование — были разработаны к 1901 году для несэндвич-сэндвич-сэндвичей. Что касается декоративного применения, то в первом десятилетии 20-го века производство расширенных сот достигло значительной степени автоматизации.
Сегодня сотовые сердцевины изготавливаются 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 резки прорезей были разработаны уже примерно в 1920 году. [16] Непрерывное поточное производство металлических сот можно осуществлять из металлических рулонов путем резки и гибки. [17]
Термопластичные сотовые заполнители (обычно из полипропилена ) обычно изготавливаются методом экструзии через блок экструдированных профилей [18] или экструдированных трубок [19] [20] , из которых нарезаются сотовые листы.
Недавно был внедрен новый уникальный процесс производства термопластичных сот, позволяющий непрерывно производить [21] сотовый заполнитель, а также поточное производство сот с прямым ламинированием обшивки в экономичные сэндвич-панели. [22]
Композитные сотовые конструкции используются во многих инженерных и научных приложениях.
Более поздние разработки показывают, что сотовые структуры также имеют преимущества в приложениях, включающих массивы 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]
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 с малым соотношением 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 с большим соотношением длин 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.
Сотовидное 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]
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 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 s ). [29] [30] Соотношение эффективных упругих модулей и модулей Юнга твердого тела, например , и , сот низкой плотности не зависит 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 из-за одного из следующих механизмов: упругого коробления, пластической текучести или хрупкого разрушения. [29] Характер разрушения зависит от материала твердого тела, из которого изготовлены соты. Упругое выпучивание клеточных стенок является способом разрушения эластомерных материалов, [30] пластичные материалы разрушаются из-за пластической текучести, а хрупкое разрушение 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 плато напряжения, при котором наблюдается увеличение деформации, в то время как напряжение сот 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 , тогда как пластическое напряжение потери устойчивости 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.
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...
