Hybrid model for static deformations of sandwich beams and its numerical validation

Abstract

Sandwich-Strukturen haben attraktive Eigenschaften, die in Kombination mit hoher Haltbarkeit und fantastischen Gestaltungsmöglichkeiten einen der wichtigsten Schritte auf dem Weg zu intelligenten Materialien darstellen. In dieser Studie werden die Auswirkungen von Kerndicke und Steifigkeitseigenschaften im Rahmen neuartiger mathematischen Modellierung auf die statische Antwort eines Sandwichträgers auf verteilte Belastung dargestellt. In dieser Arbeit werden vier Berechnungsmethoden verwendet. Drei davon sind numerische Methoden, nämlich ein FEM-Modell mit einem kubischen Funktionsansatz und die Ritz-Methode, eine 2D-Simulation mit ABAQUS. Zusätzlich zu den numerischen Verfahren wird ein äquivalentes einlagiges Balkenmodell betrachtet, um die Ergebnisse des vorgeschlagenen Verbundbalkenmodells zu validieren. Eines der Hauptziele dieser Studie war die Bewertung der Fähigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zur Modellierung des Trägers als einer Kombination von zwei Bernoulli-Euler Balken anstelle von den Deckschichten sowie eines kontinuumsmechanischen Modells des Kerns, genaue Ergebnisse für unterschiedliche Materialeigenschaften der Schichten des Trägers zu finden. Die wichtigste Erkenntnis der Arbeit dreht sich um die Erfassung des Verhaltens des Querschnitts des Trägers durch eine lineare Formulierung. Die Ergebnisse der vorgeschlagenen Methode zeigen eine gute Übereinstimmung mit den ABAQUS-Simulationen als Referenzlösung.

Sandwich structures exhibit attractive properties such as high durability and fantastic design capabilities. Owing to their superior mechanical and design capabilities, they are one of the major advancing steps towards intelligent materials. In this study, we aim to investigate the effects of core thickness and stiffness on the static response of a sandwich beam under distributed loading. For this purpose, four methods of analyses are utilized in this thesis. Three of these approaches are numerical methods, namely FEM modeling with cubic interpolation functions, Ritz method and 2D simulation in ABAQUS software. In addition to numerical schemes, an equivalent single layer beam model is considered in order to validate the results of proposed compound beam model. One of the main goals of this study is to evaluate the capacity of the proposed compound method to model the sandwich beam as a combination of two Bernoulli-Euler beams for the face sheets as well as a continuum model of the core in order to find accurate total strain energy of sandwich beams for various material properties of the layers. The most important findings of the current study are related to capturing the behavior of the cross-sections during the deformation in various material parameter ranges. The results of the proposed method stand in a good agreement with the ABAQUS simulations as a reference solution.