Blast-wave absorption capacity of sandwich structures incorporating cellular materials

Abstract

A incorporação de materiais absorsores de energia (AE) em sistemas de protecção é uma clara possibilidade de melhoraria do seu desempenho, devido à elevada relação entre a sua resistência e o seu peso, e a excelente capacidade para absorverem energia quando solicitados dinamicamente. As propriedades mecânicas da cortiça (e.g. a baixa densidade e a elevada rigidez e resistência específicas) sugerem que este material — assim como os seus derivados — podem apresentar propriedades excelentes quando aplicados como núcleos em sistemas AE do tipo estrutura sanduíche. Esta dissertação engloba trabalho experimental e numérico. O primeiro conjunto de testes experimentais consistiu na caracterização experimental dinâmica (ondas de choque de explosivos) do comportamento de dois micra aglomerados de cortiça (MAC), NL20 e TB40. Um pendulo balístico de 4 cabos foi usado para a medição do impulso transmitido a uma amostra de MAC impactada por uma onda de choque com origem na detonação de um explosivo energético. Foi registado o movimento do pêndulo e os valores de força resultantes. Um modelo numérico do problema recorrendo ao método dos elementos finitos (MEF) foi também desenvolvido, apresentando uma elevada correlação com a análise experimental, permitindo assim o desenvolvimento de um modelo constitutivo adequado à modelação do comportamento dinâmico dos MAC neste tipo de solicitações. Na segunda fase de testes experimentais, os MAC testados anteriormente são incorporados como núcleos em estruturas sanduíche com faces de alumínio (liga 5754-H22). Foram medidos os valores de defleção e o impulso transmitido ao pêndulo através do movimento oscilatório. São determinados os efeitos da densidade e da espessura dos núcleos na resposta estrutural do sistema. Também neste caso foi desenvolvido um modelo recorrendo ao MEF e posteriormente validado com resultados experimentais.

Structures incorporating energy absorbing materials (EA) are highly relevant in the design of blast protection systems due o their high strength-to-weight ratio and excellent energy absorption capacity under dynamic loading. The mechanical properties of cork (e.g. low density and high specific stiffness and strength) suggest that this material — and its compounds — may have excellent properties when acting as core in energy absorbing sandwich structures. This thesis focuses on experimental and numerical work. The first experimental set of tests presented consisted in the experimental characterisation of the dynamic (blast) behaviour of two micro-agglomerated cork compounds (MAC), NL20 and TB40. A 4-cable ballistic pendulum was used to measure the impulse transmitted to the specimen subjected to a shock-wave originated from the detonation of a high explosive. The displacement/movement of the pendulum and load values were measured. A numerical study of the problem using the finite element method (FEM) led to a good correlation with the experimental analysis leading to the development of a material constitutive model that suited the dynamic behaviour of the studied MAC compounds along the analysed loading regimes. On the second stage of the experimental work the two micro-agglomerated cork compounds tested previously were incorporated as cores in sandwich structures with 5754-H22 aluminium alloy face sheets. The deflection of the front and back face sheets was measured as well as the transmitted impulse from the oscillatory movement of the pendulum. The effects of the core thickness and density on the structural response were determined. A numerical model of the problem, again using the FEM, was developed which was then validated with the experimental results.