DE102005037055A1 - Core structure for sandwich panels is made up of honeycomb of Y-shaped, twelve-sided pieces, allowing panels to curve around one axis or two axes simultaneously - Google Patents

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Abstract

The core structure for sandwich panels is made up of a honeycomb of Y-shaped, twelve-sided pieces. This allows the panels to curve around one axis or two axes simultaneously.

Description

1. Der technische Stand/Das Problem:1. The technical state / Das Problem:

Das Prinzip einer Sandwichbauweise beruht darauf, dass zwischen zwei dünnen Decklagen ein leichtes, druck- und schubfestes Kernmaterial eingebracht wird. Dadurch kann bei geringem Materialeinsatz und minimalem Gewicht eine große Wandstärke realisiert werden, die eine hohe Steifigkeit erreicht. Als Deckschichtmaterialien für eine solche Bauweise sind besonders dünne GFK-Laminate geeignet. Je nach Anforderungsprofil können natürlich auch SFK- oder CFK-Laminate verwendet werden.The Principle of a sandwich construction based on the fact that between two thin Cover layers introduced a lightweight, pressure and shear resistant core material becomes. This allows for low material usage and minimal weight a big Wall thickness realized which achieves a high rigidity. As cover layer materials for one Such construction is particularly thin GRP laminates suitable. Of course, depending on the requirements SFK or CFK laminates are used.

Beim Kernwerkstoff wurden bislang die besten Ergebnisse mit Aramid-Wabenkernen (den sog. Honeycombs oder Nomex-Waben) erzielt. Sie sind anderen Stützstoffen wie Balsaholz und Schaumstoffen aufgrund des geringeren Gewichtes, der höheren mechanischen Festigkeit und der guten Verklebbarkeit deutlich überlegen.At the Core material has so far been the best results with aramid honeycomb cores achieved (the so-called honeycombs or Nomex honeycombs). They are different support materials like balsa wood and foams due to the lower weight, the higher mechanical Strength and the good bondability clearly superior.

Ein Problem dieser Aramid-Wabe besteht allerdings in ihrer schlechten Verformbarkeit, welche in der Struktur der Wabe begründet ist.One Problem of this aramid honeycomb, however, is in their bad Deformability, which is due to the structure of the honeycomb.

Krümmt man die Wabe in einer Achse, so dehnt sich die Struktur in der Zugzone in der belasteten Achse. Aufgrund dieser Dehnung staucht sich die Struktur nun in der unbelasteten Achse orthogonal dazu (1). Diese Stauchung wird nicht direkt durch die Biegebelastung hervorgerufen, sondern durch die Dehnung in der belasteten Achse.If the honeycomb is bent in an axis, the structure stretches in the tensile zone in the loaded axis. Due to this stretching, the structure now bends orthogonally in the unloaded axis ( 1 ). This compression is not caused directly by the bending load, but by the strain in the loaded axle.

In der Druckzone wird die Struktur in der belasteten Achse gestaucht, und dies führt wiederum zu einer Dehnung in der unbelasteten Achse (2). Bei dreidimensionaler Betrachtung ist nun die Folge der Dehnung in der Druckzone und der Stauchung in der Zugzone eine Biegung in der unbelasteten Achse (3), die sich entgegen der Biegung der belasteten Achse ausbildet. Das Resultat ist eine unerwünschte sattelförmige Verformung (4).In the pressure zone, the structure in the loaded axle is compressed and this in turn leads to an expansion in the unloaded axle ( 2 ). In a three-dimensional view, the consequence of the strain in the pressure zone and the compression in the tensile zone is now a bend in the unloaded axis ( 3 ), which forms against the bending of the loaded axle. The result is an undesirable saddle-shaped deformation ( 4 ).

Dieses Verformungsverhalten ist für die meisten Anwendungsgebiete der Sandwichbauweise nachteilhaft, da komplexere zweiachsige Krümmungen nicht zu erreichen sind.This Deformation behavior is for most applications of sandwich construction disadvantageous, because more complex biaxial curvatures can not be reached.

Bei einer zweiachsigen Krümmung, bei der beide Krümmungsradien den Ursprung auf der gleichen Seite haben (z.B. 5), kommt es auf den jeweiligen Seiten zu den gleichen Spannungen in beiden Achsen. Die Unterseite wird aufgrund der beidseitigen Druckspannung in beiden Achsen gestaucht. Die Oberfläche müsste sich auf dieser Seite verkleinern (6). Die Oberseite wird aufgrund der beidseitigen Zugspannung in beiden Achsen gedehnt. Die Oberfläche müsste sich auf dieser Seite vergrößern (7).For a biaxial curvature where both radii of curvature have their origin on the same side (eg 5 ), the same stresses occur in both axes on the respective sides. The underside is compressed due to the two-sided compressive stress in both axes. The surface would have to shrink on this page ( 6 ). The top is stretched due to the bilateral tension in both axes. The surface would have to be enlarged on this page ( 7 ).

Je größer die Höhe des Kernmaterials ist, desto größer ist auch die Flächendifferenz zwischen der Druck- und der Zugseite. Dem entsprechend vergrößern sich auch die Spannungen.ever bigger the Height of Core material is the bigger also the area difference between the pressure and the tension side. The corresponding increase also the tensions.

Die Honeycomb-Wabe hat strukturbedingt keine Möglichkeit, allseitig an Fläche zu gewinnen oder zu verlieren. In der Zugzone müsste sich die Seitenlänge und damit auch der Umfang der Wabe vergrößern (7) und in der Druckzone müsste er sich verkleinern (6). Die notwendige Steifigkeit des Strukturmaterials lässt eine derartige Spannungsverformung nicht zu, da die Funktion des Sandwichkernes in der Aufnahme von Druck- und Schubkräften liegt. Das Material darf also keinesfalls zieh- und stauchfähig konzipiert sein.The honeycomb honeycomb has structurally no way to gain or lose space on all sides. In the tension zone, the side length and thus also the circumference of the honeycomb would have to increase ( 7 ) and in the pressure zone he would have to downsize ( 6 ). The necessary rigidity of the structural material does not allow such a strain deformation, since the function of the sandwich core is in the absorption of compressive and shear forces. The material must therefore not be designed to be pullable and compressible.

Zwängt man sie dennoch in eine solche zweiachsige Krümmung, so knickt die Wabenstruktur in unregelmäßigen Abständen ein. Eine saubere Rundung ist nicht zu erreichen.You force Nevertheless, in such a biaxial curvature, so kinks the honeycomb structure in irregular intervals. A clean rounding can not be achieved.

2. Die Lösung/Die Zwölfeck-Struktur:2. The solution / Die Zwölfeck structure:

Das Problem der zweiachsigen Krümmung und der Verformbarkeit von Sandwichflächen kann durch eine neue Kernstruktur an Stelle der Honeycomb-Wabe gelöst werden.The Problem of biaxial curvature and The deformability of sandwich surfaces may be due to a new core structure solved in place of the honeycomb honeycomb become.

Die Lösung besteht aus einer zweidimensional wiederholten Zwölfeck-Struktur, wobei in einem Zwölfeck (sofern keine Verformung besteht) die zwölf Seiten gleicher Länge abwechselnd drei Innenwinkel 120° und darauf folgend einen Innenwinkel 240° aufweisen (perspektivisch dargestellt in 13–14).The solution consists of a two-dimensionally repeated dodecagon structure, wherein in a dodecagon (if there is no deformation) the twelve sides of the same length alternately have three interior angles 120 ° and subsequently an interior angle 240 ° (shown in perspective in FIG 13 - 14 ).

Die Gesamtstruktur ergibt sich aus mehreren dieser Zwölfecke, die durch Verschiebung (und nicht durch Drehung) aneinander gegliedert sind, wobei vom Mittelpunkt M eines Zwölfecks die Mittelpunkte der sechs Nachbar-Zwölfecke auf den Geraden liegen, die von M aus durch die drei von M am weitesten entfernten und die drei von M aus nächsten Ecken gehen.The Forest arises from several of these dodecagons, which are articulated by displacement (not by rotation) are, from the center M of a dodecagon, the centers of six neighbor dodecagons on lie on the straight lines which, from M, are the farthest from the three of M. and the three from M out next Go corners.

Diese Zwölfeckstruktur kann bei Beibehaltung der Seitenlängen auf den gegenüberliegenden Seiten eines Sandwiches auf Verformungen frei reagieren, durch spannungsfreie, rein geometrische Veränderungen der Struktur, mit dem Gewinn an Fläche auf der einen Seite und dem Verlust an Fläche auf der anderen. Ebenso wie die Seitenlänge und der Umfang des Zwölfecks bleibt je nach Krümmung aber auch die Regelmäßigkeit des Musters auf beiden Seiten erhalten. Bei unregelmäßigen Verformungen reagiert das Zwölfeckmuster durch kontinuierliche Anpassung in den Winkeln des Zwölfecks und damit im Flächeninhalt der Zwölfeckstruktw.This dodecagonal structure, while maintaining the side lengths on the opposite sides of a sandwich, is free to react to deformations, stress-free, purely geometric changes in structure, gain in area on one side, and loss of area the other. As well as the side length and the circumference of the dodecagon, the regularity of the pattern on both sides also remains, depending on the curvature. In irregular deformations, the dodecagon pattern responds by continuous adaptation in the angles of the dodecagon and thus in the surface area of the dodecagon structure.

In der Druckzone (z.B. in 5 die konkave Unterseite) kann die Struktur ohne eine Längenveränderung des Umfangs an Fläche verlieren (8).In the pressure zone (eg in 5 the concave underside) may lose the structure without a length change of the perimeter ( 8th ).

Die Zugzone (z.B. in 5 die konvexe Oberseite) kann auf gleiche Weise durch rein geometrische Verformung an Fläche gewinnen (9).The tensile zone (eg in 5 the convex upper side) can gain in area in the same way by purely geometrical deformation ( 9 ).

In 10 ist die Flächendifferenz zwischen der Druck- und der Zugzone dargestellt. Die maximale Stauchung der Struktur ist erst dann erreicht, wenn die Innenecken aufeinander stoßen.In 10 is the area difference between the pressure and the tensile zone shown. The maximum compression of the structure is only achieved when the inner corners collide.

Im Allgemeinen gilt, je kleiner der Krümmungsradius und/oder je größer die Kernhöhe des Sandwiches ist, desto größer die geometrische Verformung der Struktur. Bei einer größeren Kernhöhe steigt folglich der Wert des minimal zu erreichenden Krümmungsradius.in the Generally, the smaller the radius of curvature and / or the larger the core height the sandwich is, the bigger the geometric deformation of the structure. At a higher core height increases hence the value of the minimum radius of curvature to be achieved.

Bei einer Kernhöhe von 5cm ist ein zweiachsiger Krümmungsradius von jeweils 30cm, unabhängig von der Seitenlängenskalierung der Zwöfeck-Struktur (der denkbare Bereich liegt zwischen 3-20mm) leicht zu erreichen. Entsprechende Modellversuche mit doppelwandigem 300g Papier haben das bereits erwiesen.at a core height of 5cm is a biaxial radius of curvature each 30cm, independent from the page length scaling the Zwöfeck structure (the conceivable range is between 3-20mm) easy to reach. Corresponding model tests with double-walled 300g paper have the already proved.

Bei der Herstellung im Modell haben sich bislang zwei Additionsmöglichkeiten bewährt um die Struktur zusammenzusetzen.

  • 1. ist es möglich einzelne Zwölfecke anzufertigen und diese dann in der oben beschriebenen Anordnung zu addieren (11). Auf diese Weise erhält man einen einheitlichen, doppelwandigen Strukturaufbau. Folglich erreicht man ein äußerst homogenes Gefüge.
  • 2. kann die Produktion mit der Zusammensetzung einzelner Streifen, die aus einer sich wiederholenden Anordnung von jeweils um 120° geknickten Seiten bestehen, wobei sich eine Wiederholungsfolge aus 2 konkaven, 3 konvexen, 2 konkaven und einer konvexen Knickrichtung ausbildet, erfolgen. Die einzelnen Streifen werden jeweils um die Hälfte der Breite eines Zwölfecks verschoben und aufeinander gesetzt (12).
In the production in the model so far two addition options have proven to put the structure together.
  • 1. it is possible to make individual dodecagons and then add them in the arrangement described above ( 11 ). In this way one obtains a uniform, double-walled structure structure. Consequently, one achieves an extremely homogeneous structure.
  • 2. Production may be carried out with the composition of individual strips consisting of a repeating arrangement of sides each bent by 120 °, with a repetitive sequence consisting of two concave, three convex, two concave and one convex kinking direction. The individual strips are each shifted by half the width of a dodecagon and placed on top of each other ( 12 ).

Anwendungsbeispiele:Application examples:

Die Zwölfeck-Kernstruktur kann als Sandwich überall dort eingesetzt werden, wo organische Formen modelliert werden müssen, die eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht erreichen sollen. Zum Beispiel im Flugzeugbau, insbesondere für die zweiachsig gekrümmte Nase, aber auch in der Architektur für organisch geformte Fassaden oder Dächer. Dort kann der Hohlraum der Struktur mit Dämmmaterial aufgefüllt werden. Im medizinischen Bereich könnte ein weiteres Anwendungsgebiet für die Struktur bestehen. Sie hat durch ihr geringes Gewicht und durch ihre Fähigkeit sich an sämtliche Körperteile anzupassen klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbänden und Prothesen orthopädischer Funktion.The Zwölfeck core structure Can be used as a sandwich everywhere where organic forms need to be modeled to achieve a high rigidity with low weight. To the Example in the aircraft industry, especially for the biaxially curved nose, but also in architecture for organically shaped facades or roofs. There can be the cavity the structure with insulation material filled become. In the medical field could be another field of application for the Structure exist. She has through her light weight and through her ability to all Body Parts to adapt to clear advantages conventional associations and Prostheses orthopedic Function.

Die Struktur ist in der Steifigkeit mit der Honeycomb-Wabe annähernd gleichzusetzen und könnte diese, aufgrund ihrer viel besseren Flexibilität, im Grunde ablösen. Ihre Skalierung in Höhe und Durchmesser ist je nach Anwendungsgebiet in verschiedenen Größen denkbar.The Structure is approximately equal in stiffness to the honeycomb honeycomb and could These, because of their much better flexibility, basically replace them. Your Scaling in height and diameter is possible depending on the application in different sizes.

Als Material ist im Zusammenhang mit Faserverbundwerkstoffen Nomex®-Papier sinnvoll, in dem Aramidfasern mit Phenolharz gebunden sind. Die Herstellung aus Blech ist ebenfalls denkbar und für Anwendungsgebiete geeignet, bei denen eine plastische Verformung erforderlich ist. Der Kern könnte so frei modelliert werden und sich bei der Verarbeitung selbst in Form halten.As a material in connection with fiber composites Nomex ® paper makes sense, are bound in the aramid fibers with phenolic resin. The production of sheet metal is also conceivable and suitable for applications in which a plastic deformation is required. The core could be freely modeled and kept in shape during processing.

Claims (1)

Die Kernstruktur für die Sandwichbauweise, die zwischen zwei dünne Decklagen eingebracht ist und dort als Tragstruktur Druck- und Zugkräfte überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass sie sich aufgrund spannungsfreier, rein geometrischer Veränderung ihrer Struktur, flexibel in sämtlichen Richtungen einachsig und zweiachsig sowie konkav und konvex in beliebiger Addition der Krümmungen verformen lässt und dass sie aus einer zweidimensional wiederholten Zwölfeck-Struktur besteht, wobei a. in einem Zwölfeck (sofern keine Verformung besteht) die zwölf Seiten gleicher Länge abwechselnd drei Innenwinkel 120° und darauf folgend ein Innenwinkel 240° aufweisen, b. mehrere Zwölfecke durch Verschiebung (und nicht durch Drehung) hervorgehen und die Gesamtstruktur ergeben, wobei vom Mittelpunkt M eines Zwölfecks die Mittelpunkte der sechs Nachbar-Zwölfecke auf den Geraden liegen, die von M aus durch die drei von M am weitesten entfernten und die drei von M aus nächsten Ecken gehen.The core structure for the sandwich construction, which is introduced between two thin cover layers and transmits there as a support structure compressive and tensile forces, characterized in that they are flexible in all directions uniaxial and biaxial as well as concave and convex due to stress-free, purely geometric change their structure deforms any addition of the curvatures and that it consists of a two-dimensionally repeated dodecagon structure, where a. in a dodecagon (if there is no deformation) the twelve sides of the same length alternately have three internal angles of 120 ° and subsequently an internal angle of 240 °, b. several dodecagons result from displacement (rather than rotation) and give the overall structure, with the centers of the six neighboring dodecagons lying on the straight line from the midpoint M of a dodecagon, those of M being the farthest away from M and the three of M M go out of next corners.
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