Simulación, prototipado y ensayos a flexión de vigas tipo sándwich con núcleo de material celular

Abstract

Las estructuras celulares basadas en la superficie mínima triple periódica (TPMS), enrejado y de tipo periódico han llamado cada vez más la atención debido a sus topologías controladas matemáticamente y sus propiedades mecánicas prometedoras. Las estructuras sándwich con topologías de núcleo con arreglo cuadrado, Schwarz P y hexagonal tridimensional se diseñan a través del software “Space Claim” de ANSYS y se fabrican utilizando una técnica de impresión 3D denominada estereolitografía. Las propiedades de flexión como el desplazamiento y esfuerzos de estas estructuras sándwich se evalúan mediante una prueba de flexión de tres puntos. Se desarrolla un modelo tridimensional para analizar el comportamiento de las estructuras sándwich bajo carga de flexión. Se emplea la formulación teórica para comparar con los datos experimentales y la simulación computacional. Se logra un buen acuerdo entre los datos experimentales concomitantes, la formulación teórica y la simulación numérica. Además, se lleva a cabo un estudio paramétrico integral para comprender el efecto de las topologías del núcleo, la porosidad y los parámetros geométricos en las propiedades de flexión según la arquitectura del núcleo propuesto. Tanto la porosidad del núcleo como los materiales de las capas externas de las vigas tipo sándwich de cada núcleo exhiben un efecto significativo en las propiedades de flexión. La estructura de viga sándwich con núcleo de tipo “Schwarz P” con la porosidad del 60% tiene un mejor comportamiento mecánico en comparación con otras topologías de núcleo para diseños de viga tipo sándwich analizadas en esta investigación. Pero el núcleo que mejor resistencia ha presentado es del tipo “Arreglo cuadrado”, que es significativamente mayor a otras topologías de núcleos celulares estudiadas en este proyecto. En general, este estudio indica que las estructuras sándwich con núcleos de arreglo periódico y TPMS podrían diseñarse para brindar propiedades de flexión, reducción de peso y capacidad de absorción de energía deseables, y los hallazgos de este estudio brindan información sobre diseños futuros de estructuras sándwich novedosas para diversas aplicaciones de ingeniería.