Struktura plastra miodu
Struktury o strukturze plastra miodu to struktury naturalne lub stworzone przez człowieka , które mają geometrię plastra miodu , aby umożliwić zminimalizowanie ilości użytego materiału w celu osiągnięcia minimalnej wagi i minimalnych kosztów materiałowych . Geometria struktur plastra miodu może się znacznie różnić, ale wspólną cechą wszystkich takich struktur jest szereg pustych komórek utworzonych między cienkimi pionowymi ścianami. Komórki są często kolumnowe i sześciokątne w formie. Struktura w kształcie plastra miodu zapewnia materiał o minimalnej gęstości i stosunkowo wysokich właściwościach ściskania poza płaszczyzną i ścinania poza płaszczyzną .
Sztuczne materiały konstrukcyjne o strukturze plastra miodu są zwykle wytwarzane przez nakładanie materiału o strukturze plastra miodu między dwie cienkie warstwy, które zapewniają wytrzymałość na rozciąganie . Tworzy to zespół przypominający płytkę. 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 z aluminium, włókna szklanego i zaawansowanych materiałów kompozytowych są stosowane w samolotach i rakietach od lat pięćdziesiątych XX wieku. Można je również znaleźć w wielu innych dziedzinach, od materiałów opakowaniowych w postaci tektury o strukturze plastra miodu na bazie papieru, po artykuły sportowe, takie jak narty i deski snowboardowe.
Wstęp
Naturalne struktury plastra miodu obejmują ule , wietrzenie plastra miodu w skałach , flakach i kościach .
Struktury o strukturze plastra miodu wykonane przez człowieka obejmują kompozyty o strukturze przekładkowej z rdzeniami o strukturze plastra miodu. [ Potrzebne źródło ] Struktury o strukturze plastra miodu wykonane przez człowieka są wytwarzane przy użyciu różnych materiałów, w zależności od zamierzonego zastosowania i wymaganych właściwości, od papieru lub tworzyw termoplastycznych , stosowanych w celu uzyskania niskiej wytrzymałości i sztywności przy niskim obciążeniu zastosowań, do wysokiej wytrzymałości i sztywności do zastosowań o wysokich parametrach, od aluminium lub tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami. Wytrzymałość paneli laminowanych lub warstwowych zależy od rozmiaru panelu, zastosowanego materiału okładzinowego oraz liczby lub gęstości komórek plastra miodu w nim zawartych. Kompozyty o strukturze plastra miodu są szeroko stosowane w wielu gałęziach przemysłu, od przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i meblarskiego po opakowania i logistykę. Nazwa materiału pochodzi od jego wizualnego podobieństwa do plastra miodu pszczoły – sześciokątnej struktury arkusza.
Historia
Sześciokątny grzebień pszczoły miodnej był podziwiany i podziwiany od czasów starożytnych. Mówi się, że pierwszy wykonany przez człowieka plaster miodu, zgodnie z mitologią grecką, został wyprodukowany przez Dedala ze złota metodą odlewania traconego wosku ponad 3000 lat temu. Marcus Varro donosi, że greccy geometrzy Euclid i Zenodorus odkryli, że sześciokątny kształt najbardziej efektywnie wykorzystuje przestrzeń i materiały budowlane. Wewnętrzne przetłoczenia i ukryte komory w kopule Panteonu w Rzymie jest wczesnym przykładem struktury plastra miodu. [ potrzebne pełne cytowanie ]
Galileo Galilei omawia w 1638 roku odporność pustych ciał stałych: „Sztuka, a jeszcze bardziej natura, wykorzystuje je w tysiącach operacji, w których zwiększa się wytrzymałość bez dodawania wagi, co widać w kościach ptaków i wielu łodygach, które są lekki i bardzo odporny na zginanie i łamanie”. Robert Hooke odkrywa w 1665 r., że naturalna struktura komórkowa korka jest podobna do sześciokątnego plastra pszczoły miodnej. a Charles Darwin stwierdza w 1859 r., że „grzebień pszczoły ulowej, o ile my widać, jest absolutnie doskonały w oszczędzaniu pracy i wosku”.
Pierwsze papierowe struktury plastra miodu mogli zrobić Chińczycy 2000 lat temu dla ozdób, ale nie znaleziono żadnej wzmianki na ten temat. Papierowe plastry miodu i proces ich rozszerzania zostały wynalezione w Halle/Saale w Niemczech przez Hansa Heilbruna w 1901 roku do zastosowań dekoracyjnych. Pierwsze struktury plastra miodu z blachy falistej zaproponowano dla pszczelarstwa w 1890 r. W tym samym celu, jako płyty fundamentowe do zbierania większej ilości miodu, w 1878 r. Opatentowano proces formowania plastrów miodu przy użyciu mieszanki kleju z pasty papierowej. Trzy podstawowe techniki: produkcja plastrów miodu, która jest nadal używana - rozszerzanie, pofałdowanie i formowanie - została opracowana już 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 zastosowań lotniczych w 1915 r. Opisał szczegółowo swoją koncepcję zastąpienia konstrukcji samolotów pokrytych tkaniną blachami i doszedł do wniosku, że blacha może być również obciążana ściskaniem, jeśli jest podparta w bardzo małych odstępach czasu poprzez ustawienie obok siebie szeregu kwadratowych lub prostokątnych komórek lub trójkątnych lub sześciokątnych pustych brył. 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 r. W 1934 r. Edward G. Budd opatentował spawaną stalową płytę warstwową o strukturze plastra miodu z blachy falistej, a Claude Dornier dążył do 1937 r. Rozwiązanie rdzenia-powłoki problem z wiązaniem poprzez rolowanie lub wciskanie skórki, która jest w stanie plastycznym do ścian komórkowych rdzenia. Pierwsze udane strukturalne klejenie struktur warstwowych o strukturze plastra miodu zostało osiągnięte przez Normana de Bruyne'a z Aero Research Limited , który opatentował klej o odpowiedniej lepkości do tworzenia filetów z żywicy na rdzeniu o strukturze plastra miodu w 1938 roku. Północnoamerykański XB-70 Valkyrie szeroko wykorzystywał panele o strukturze plastra miodu ze stali nierdzewnej , stosując opracowany przez nich proces lutowania .
Podsumowanie ważnych wydarzeń w historii technologii plastra miodu podano poniżej:
- 60 pne Diodorus Siculus donosi o złotym plastrze miodu wykonanym przez Dedala metodą odlewania z traconego wosku .
- 36 pne Marcus Varro donosi o najbardziej efektywnym wykorzystaniu przestrzeni i materiałów budowlanych dzięki sześciokątnemu kształtowi.
- 126 Panteon został przebudowany w Rzymie przy użyciu konstrukcji kasetonowej , zagłębionej płyciny w kształcie kwadratowej konstrukcji, podtrzymującej kopułę.
- 1638 Galileo Galilei omawia puste bryły i ich wzrost wytrzymałości bez dodawania wagi.
- 1665 Robert Hooke odkrywa, że naturalna struktura komórkowa korka jest podobna do sześciokątnego grzebienia pszczoły miodnej.
- 1859 Karol Darwin stwierdza, że grzebień pszczoły ulowej jest absolutnie doskonały w oszczędzaniu pracy i wosku.
- 1877 FH Küstermann wynajduje proces formowania plastra miodu przy użyciu mieszanki kleju z pasty papierowej.
- 1890 Julius Steigel wynajduje proces produkcji plastra miodu z blachy falistej.
- 1901 Hans Heilbrun wynajduje sześciokątne papierowe plastry miodu i proces produkcji ekspansji.
- 1914 R. Höfler i S. Renyi opatentowują 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 ozdobnych plastrów miodu z papieru ściernego do lekkich płyt gipsowo-kartonowych.
- 1934 Edward G. Budd patentuje spawaną stalową płytę warstwową o strukturze plastra miodu z blachy falistej.
- 1937 Claude Dornier opatentowuje panel warstwowy o strukturze plastra miodu ze skórkami wciśniętymi w stanie plastycznym w ściany komórkowe rdzenia.
- 1938 Norman de Bruyne patentuje strukturalne klejenie struktur warstwowych o strukturze plastra miodu.
- 1941 John D. Lincoln proponuje użycie plastra miodu z ekspandowanego papieru do kopuł samolotów
- 1948 Roger Steele stosuje rozszerzalny proces produkcyjny przy użyciu arkuszy kompozytowych wzmacnianych włóknami.
- 1969 Boeing 747 zawiera rozległe ognioodporne plastry miodu firmy Hexcel Composites przy użyciu papieru z włókien aramidowych Nomex firmy DuPont.
- Lata 80. Pojawiają się termoplastyczne plastry miodu wytwarzane w procesie wytłaczania.
Produkcja
Trzy tradycyjne techniki produkcji plastrów miodu, ekspansja, pofałdowanie i formowanie, zostały opracowane do 1901 roku do zastosowań innych niż kanapki. W przypadku zastosowań dekoracyjnych produkcja rozszerzonych plastrów miodu osiągnęła niezwykły stopień automatyzacji w pierwszej dekadzie XX wieku.
Obecnie rdzenie o strukturze plastra miodu są wytwarzane w procesie rozszerzania i procesu pofałdowania z materiałów kompozytowych , takich jak tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (znane również jako włókno szklane), tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym , tworzywo sztuczne wzmocnione papierem aramidowym Nomex lub z metalu (zwykle aluminium ).
Plastry miodu z metali (takich jak aluminium) są obecnie wytwarzane w procesie ekspansji. Ciągłe procesy składania plastrów miodu z pojedynczej blachy aluminiowej po cięciu szczelin zostały opracowane już około 1920 roku. Ciągła produkcja liniowa metalowych plastrów miodu może odbywać się z metalowych rolek poprzez cięcie i gięcie.
Termoplastyczne rdzenie o strukturze plastra miodu (zwykle z polipropylenu ) są zwykle wytwarzane przez wytłaczanie poprzez blok wytłaczanych profili lub wytłaczanych rur, z których wycinane są arkusze o strukturze plastra miodu.
Niedawno wdrożono nowy, unikalny proces produkcji termoplastycznych plastrów miodu, umożliwiający ciągłą produkcję rdzenia plastrów miodu, jak również produkcję in-line plastrów miodu z bezpośrednim laminowaniem warstw w ekonomiczny panel warstwowy.
Aplikacje
Struktury kompozytowe o strukturze plastra miodu były wykorzystywane w wielu zastosowaniach inżynieryjnych i naukowych.
| Obszar zastosowań | Przemysł | Firma/Produkt |
|---|---|---|
| Muszle wyścigowe | Sport | Vespoli , Janousek Łodzie wyścigowe |
| Produkcja lotnicza | Lotnictwo | Euro-Composites, Hexcel , Plascore Incorporated , Schütz GmbH & Co.KGaA (Cormaster) |
| Szybowce | Lotnictwo | Schleicher ASW 19 , projekt impulsu słonecznego |
| Helikoptery | Lotnictwo | Kamov Ka-25 , Bell 533 , Westland Lynx |
| Samolot odrzutowy | Lotnictwo | General Dynamics/Grumman F-111B , F-111 Aardvark , wszystkie samoloty komercyjne od Boeinga 747 |
| Podbudowa rakiety | Lotnictwo | Saturn V Instrument Unit , Mars Exploration Rover , S-520 |
| Technologia LED | Oświetlenie | SmartSlab |
| Technologia głośników | Audio | Głośnik#Konstrukcja przetwornika: głośniki dynamiczne , głośnik niskotonowy |
| Struktura lustra teleskopu | Lotnictwo | Kosmiczny teleskop Hubble |
| Struktura samochodu | Automobilowy | Panther Solo , Jaguar XJ220 , Dome F105 , Bluebird-Proteus CN7 , BMW i3 / i8 , Koenigsegg Agera |
| Deski snowboardowe | Sporty | Deska snowboardowa |
| Meble | Obróbka drewna | Meble |
Nowsze osiągnięcia pokazują, że struktury o strukturze plastra miodu są również korzystne w zastosowaniach obejmujących układy nanootworów w anodowanym tlenku glinu, mikroporowate układy w cienkich warstwach polimerowych , plastry miodu z węglem aktywnym i fotoniczne struktury plastra miodu z pasmem wzbronionym .
Aerodynamika
Siatka o strukturze plastra miodu jest często stosowana 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 komórek plastra miodu) L/d .
Stosunek długości < 1: Siatki o strukturze plastra miodu o niskim stosunku długości mogą być stosowane na przednim grillu pojazdu . Poza względami estetycznymi, siatki te stosowane są jako ekrany w celu uzyskania jednolitego profilu i zmniejszenia intensywności turbulencji.
Stosunek długości >> 1: Oczka o strukturze plastra miodu o dużym stosunku długości zmniejszają boczne turbulencje i zawirowania przepływu. We wczesnych tunelach aerodynamicznych używano ich bez ekranów; niestety metoda ta wprowadziła duże natężenie turbulencji na odcinku testowym. Większość nowoczesnych tuneli wykorzystuje zarówno plaster miodu, jak i ekrany.
Podczas gdy aluminiowe plastry miodu są powszechnie stosowane w przemyśle, oferowane są inne materiały do określonych zastosowań. Osoby korzystające z konstrukcji metalowych powinny zadbać o usunięcie zadziorów , ponieważ mogą one wprowadzać dodatkowe turbulencje. Konstrukcje poliwęglanowe są tanią alternatywą.
Ekranowany środek tego wlotu powietrza w obwodzie otwartym dla pierwszego tunelu aerodynamicznego Langley zapewniał stały, pozbawiony turbulencji przepływ powietrza. Dwóch mechaników pozuje w pobliżu wejścia do tunelu, gdzie powietrze zostało wciągnięte do sekcji testowej przez układ o strukturze plastra miodu, aby wygładzić przepływ.
Plaster miodu nie jest jedynym przekrojem dostępnym w celu zmniejszenia wirów w przepływie powietrza. Kwadratowe, prostokątne, okrągłe i sześciokątne przekroje poprzeczne to inne dostępne opcje, chociaż zazwyczaj preferowanym wyborem jest plaster miodu.
Nieruchomości
W połączeniu z dwoma warstwami 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. Konieczne jest zatem rozróżnienie kierunków symetrii , tzw. kierunku L i kierunku W. Kierunek L jest najsilniejszym i najsztywniejszym kierunkiem. Najsłabszy kierunek znajduje się pod kątem 60° od kierunku L (w przypadku sześciokąta foremnego ), a najbardziej zgodnym kierunkiem jest kierunek W. Inną ważną właściwością rdzenia warstwowego o strukturze plastra miodu jest jego wytrzymałość na ściskanie. Ze względu na wydajną konfigurację sześciokątną, w której ściany wspierają się nawzajem, wytrzymałość rdzeni o strukturze plastra miodu na ściskanie jest zwykle wyższa (przy tej samej wadze) w porównaniu z innymi strukturami rdzeni warstwowych, takimi jak na przykład rdzenie piankowe lub rdzenie faliste.
Właściwości mechaniczne plastrów miodu zależą od geometrii ich komórek, właściwości materiału, z którego zbudowany jest plaster miodu (często określanego jako bryła), które obejmują moduł Younga, granicę plastyczności i naprężenie pękania materiału oraz względną gęstość plastra miodu (gęstość plastra miodu znormalizowana przez gęstość bryły, 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, w którym przykładane jest obciążenie.
Obciążenie w płaszczyźnie: Przy obciążeniu w płaszczyźnie często zakłada się, że grubość ścianki plastra miodu jest mała w porównaniu z długością ścianki. 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 . Pod wystarczająco dużym obciążeniem ściskającym plaster miodu osiąga krytyczne naprężenie i ulega uszkodzeniu z powodu jednego z następujących mechanizmów - wyboczenia sprężystego, uplastycznienia lub kruchego zgniatania. Sposób zniszczenia zależy od materiału bryły, z której wykonany jest plaster miodu. Elastyczne wyboczenie ścianek komórek jest sposobem niszczenia materiałów elastomerowych, materiały ciągliwe zawodzą z powodu plastyczności, a kruche kruszenie jest sposobem niszczenia, gdy ciało stałe jest kruche. Elastyczne naprężenie wyboczeniowe jest proporcjonalne do względnej gęstości sześciennej, plastyczne naprężenie zapadania się jest proporcjonalne do względnej gęstości kwadratowej, a naprężenie kruchego zgniatania jest proporcjonalne do względnej gęstości kwadratowej. Po naprężeniu krytycznym i uszkodzeniu materiału obserwuje się w materiale naprężenie plateau, w którym obserwuje się wzrost odkształcenia, podczas gdy naprężenie plastra miodu pozostaje w przybliżeniu stałe. Po osiągnięciu pewnego odkształcenia materiał zacznie ulegać zagęszczeniu, ponieważ dalsze ściskanie dociska ściany komórkowe do siebie.
Obciążenie poza płaszczyzną: przy obciążeniu poza płaszczyzną moduł Younga regularnych sześciokątnych plastrów miodu poza płaszczyzną jest proporcjonalny do względnej gęstości plastra miodu. Naprężenie wyboczeniowe sprężyste jest proporcjonalne do (t/L) 3 , podczas gdy naprężenie wyboczeniowe plastyczne 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 kwadratowe komórki z okrągłym rdzeniem. Względne gęstości tych komórek będą zależeć od ich nowej geometrii.
Zobacz też
