Numerical and experimental investigation of hollow sphere structures in sandwich panels

Abstract

O presente trabalho propõe estudar o comportamento de estruturas compostas por esferas ocas metálicas em painéis sanduíche. Estudos numéricos utilizando o método de Elementos Finitos foram feitos para caracterizar o comportamento de provetos representativos. A primeira parte do estudo envolveu o estudo de diferentes tipos de estruturas metálicas compostas por esferas ocas metálicas, adesivamente fundidas, MHSS (“Metallic Hollow Sphere Structures”). A influência da morfologia, topologia e da técnica de fusão das esferas nas propriedades materiais foi avaliada numericamente. Testes de compressão uni-axial com provetes MHSS confirmaram os resultados numéricos. A condutividade térmica dos provetes MHSS foi também avaliada. A segunda parte do trabalho concentra-se na deformação utilizando 3 pontos de aplicação de força em painéis sanduíche compostos por chapas de alumínio envolvendo vários materiais celulares como espumas M-Pore® e Alporas® em alumínio, estruturas em forma de colméia e MHSS adhesivamente fundidas. A resistência à deformação, a capacidade de carga do material e o modo de falha foram verificados através de testes de flexão utilizando 3 pontos de aplicação de força. A comparação dos resultados experimentais possibilita a comparação entre os vários materiais celulares no que diz respeito às propredades testadas.

This thesis addresses the performance of novel metallic hollow sphere structures (MHSS) in sandwich panels. Numerical finite element analyses and experimental tests are conducted. The first part of this thesis focuses on different types of metallic hollow sphere structures. The influence of the morphology, topology, joining technology and material composition on their mechanical properties is numerically investigated. Uni-axial compressive tests with adhesively bonded MHSS are performed in order to confirm the numerical findings. In addition, the effective thermal conducivities of MHSS are determined. The main focus of the second part of this work lies on experimental three-point bending tests of sandwich panels. The investigated sandwich panels are assembled by aluminium face sheets which enclose different cellular core materials, namely M-Pore® and Alporas® aluminium foams, honeycomb structures and adhesively bonded MHSS. The flexural stiffness, the load-carrying capacity and the failure mode are determined using threepoint bending tests. The comparison of these experimental findings allows for the performance valuation of different cellular metal cores.