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Sandwich Construction

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Presentation on theme: "Sandwich Construction"— Presentation transcript:

1 Sandwich Construction
Eng. Marco Leite Prof. Manuel de Freitas Prof. Arlindo Silva

2 Sandwich Construction
Introdução Leis Constitutivas Exemplo Design procedures Aplicações Bibliografia NOV 2004

3 Introdução Origem Princípio Sandwich Vantagens e Desvantagens NOV 2004

4 Origem II Gerra Mundial – de Havilland Mosquito TT35 TA639
Fuselagem  Plywood/Balsa/Plywood “Mosquito. The timber terror. Light, fast, deadly.” “The excellent performance demonstrated by this airplane had convinced numerous aircraft designers of the superiority of sandwich structure as a means of constructing more efficient airplanes” Falta de materiais na G.B. no auge na II Guerra Mundial NOV 2004

5 Origem II Guerra Mundial – Vultee BT15 (USA)
Fuselagem  Fibra de vidro em matriz de poliester com núcleo em honeycomb de fibra de vidro ou núcleo de balsa. NOV 2004

6 Princípio Sandwich (c) web core (d) corrugated core NOV 2004

7 Vantagens e desvantagens
Alta Resistência Específica Perigoso para a saúde durante a construção (Resinas) Alta Rigidez Específica Fracas possibilidades de reciclagem (compósitos) Baixo Peso Falta de informação nos engenheiros e designers Isolamento Térmico e Acústico Problemas de temperatura Capacidade de resistência à corrosão Mudança de mentalidades Facilidade de formas completas Controlo de Qualidade Capacidade de absorção de Energia Variedade de critérios de rotura Poucas peças estruturais necessárias Incompatibilidade de materiais Múltiplas possibilidades de escolha de materiais NOV 2004

8 Leis Constitutivas

9 Leis Constitutivas Teoria clássica vs Teoria 1ª ordem
Campo de deslocamentos Campo de deformações Relação Tensão-Extensão  TCL Leis Constitutivas  TCL Relação Tensão-Extensão  1ª ordem Leis Constitutivas  1ª ordem NOV 2004

10 Teoria clássica vs Teoria 1ª ordem
Teoria Clássica Laminados Teoria 1ª ordem NOV 2004

11 Campo de Deslocamentos
Teoria Clássica Laminados Teoria 1ª ordem NOV 2004

12 Campo de Deformações Teoria Clássica Laminados Teoria 1ª ordem
NOV 2004

13 Relação Tensão-Extensão  TCL
Teoria Clássica Laminados Extensões superfície média Curvaturas Relação Tensão/Extensão NOV 2004

14 Leis Constitutivas  TCL
Forças de membrana actuantes no laminado Momentos actuantes no laminado NOV 2004

15 Relação Tensão-Extensão  1ª ordem
Extensões superfície média Relação Tensão/Extensão Curvaturas NOV 2004

16 Leis constitutivas  1ª Ordem
NOV 2004

17 Exemplo – Ensaios 3PB Viga de contraplacado
Comparação entre a TCL e 1ª Ordem Vigas sandwich faces em GRP núcleo PU NOV 2004

18 Exemplo – Ensaios 3PB Deslocamento a meio vão: Corte TCL (bending)
1ª Ordem NOV 2004

19 Viga de contraplacado 18.2 mm
Contraplacado de madeira de vidoeiro 13 camadas [0º,90º,0º...,0º,90º,0º] Material Ortotrópico Vão 1000 mm Resultados Força vs Deslocamento NOV 2004

20 Viga de contraplacado 18.2 mm
NOV 2004

21 Viga sandwich em GRP + PU
Faces em fibra de vidro em matriz de poliéster Espessura de 2.5 mm Gramagem de 900 g/m2 Núcleo em espuma de poliuretano Espessura de 50 mm Densidade de 40 kg/m3 Materiais Isotrópicos Faces E = 6100 MPa  = 0.33 Núcleo E = 7.5 Mpa NOV 2004

22 Vigas sandwich em GRP + PU
NOV 2004

23 Design procedures

24 Design procedures Vários envelopes de rotura concorrentes
Altamente dependente da geometria e do carregamento NOV 2004

25 Design procedures NOV 2004

26 Design procedures NOV 2004

27 Design procedures NOV 2004

28 Aplicações

29 Aplicações Aeroespacial Aeronáutico Construção Desporto Naval
Automóvel Veículos Ferroviários etc NOV 2004

30 Satélites 1 Solar Panels : Epoxy carbon prepregs, aluminum honeycomb, film adhesive 2 Reflectors Antennae : Epoxy/aramid prepreg, cyanate carbon prepreg, aramid/aluminum honeycomb 3 Satellite Structures : Carbon prepreg, aluminum honeycomb, film adhesive NOV 2004

31 Aeroespacial 1 Fairings: Carbon prepregs. Aluminium honeycomb and adhesives. 2 External Payload Carrier Assembly (SPELTRA): Carbon prepregs, aluminium honeycombs and adhesives. 3 EPS Ring: Epoxy/carbon prepreg or RTM. 4 Front Skirt: Carbon prepreg. 5 Booster Capotage: Epoxy glass/non-metallic honeycomb. 6 Yoke: Epoxy carbon filament winding. 7 Heat Shield: Carbon prepreg/high temperature resistant glass fabric. NOV 2004

32 Aeronautico 1 Radar Transparent Radome: Epoxy or BMI Prepreg or RTM resins and woven preforms (socks) 6 Wing Skins and Ribs: Epoxy carbon and glass Prepregs 2 Foreplane Canard Wings: Epoxy carbon Prepregs 7 Fin Tip: Epoxy/quartz Prepregs 3 Fuselage Panel Sections: Epoxy carbon Prepregs. Non-metallic honeycomb core and Redux adhesives 8 Rudder: Epoxy carbon Prepreg 4 Leading Edge Devices: Epoxy carbon and glass Prepregs 9 Fin: Epoxy carbon/glass Prepreg 5 Fin Fairings: Epoxy glass and carbon Prepregs 10 Flying Control Surfaces: Epoxy carbon and glass Prepregs. Honeycomb core material and Redux adhesives NOV 2004

33 Pás do rotor de um helicóptero Sea King, mostrando a estrutura interna em compósito. Com a aplicação de compósitos consegue-se maior velocidade das pás e menor transmissão de vibrações à estrutura. NOV 2004

34 Naval 1 Decking: Heavy duty structural sandwich panels
9 Weather Shield: Prepregs and honeycombs. 2 Hull Skin Structure: Prepregs, engineered fabrics, honeycombs. 10 Communications Equipment : Prepregs and honeycombs. 3 Lightweight Floor Structure: Sandwich panels. 11 Companionway Stairs : Structural sandwich panels 4 Suspended Ceilings : Lightweight sandwich panels/honeycombs. 12 Partitions: Lightweight sandwich panels. 5 Interior Furnishings : Lightweight stiff sandwich panels suitable for fabrication. Prepregs and fabrics. 13 Lightweight Superstructure: Sandwich panels and Prepregs. 6 Hull Skin Structure: Prepregs, engineered fabrics, honeycombs. 14 Engine Room : Sandwich panels and special products for FST and sound attenuation.. 7 Accommodation Cabin Units: Lightweight sandwich panels, Prepregs and honeycombs. 15 Drive Shafts & Couplings: Epoxy Prepregs and fabrics 8 Bridge Deck Consoles: Lightweight sandwich panels. NOV 2004

35 Naval NOV 2004

36 Desporto NOV 2004

37 O quadro (que já nem sequer tem a forma tradicional de um quadro
O quadro (que já nem sequer tem a forma tradicional de um quadro...) da bicicleta da figura é feito em carbono/ epoxy, bem como as jantes das rodas. Consegue-se maior rigidez e menor peso em relação às estruturas de alumínio. Além disso, o design pode e deve ser alterado para maximizar os benefícios do novo material. NOV 2004

38 Aplicações diversas de compósitos em artigos de desporto e lazer
Aplicações diversas de compósitos em artigos de desporto e lazer. A sua utilização destina-se, em geral, a poupar peso, ganhando rigidez e resistência e, por vezes, permitindo um design mais atractivo que as ligas metálicas, devido à facilidade de moldagem. NOV 2004

39 Construção civil NOV 2004

40 Comboios Sandwich technology: The sandwich principle has been successfully used in the marine and aerospace industries. Now, Bombardier's new Fully Integrated Carbody Assembly System (FICAS) revolutionizes manufacturing in the rail industry. FICAS consists of a thin sandwich construction comprising a steel skin bonded to a rigid core. The advantage of this approach to the overall space saving equation is that the sidewalls become significantly thinner than a conventional wall, with possible savings of up to 120 millimeters in wall thickness. (May 2003) NOV 2004

41 Automóvel With the long version, the A-class sets a new record for compact cars, for no other automobile in this market segment offers so much cubic capacity, as much as 68.2 cubic feet – which is 11 percent more than the unchanged current standard version. The spatial economy of the new body variant is equally commendable: since the drive units, thanks to the sandwich concept, are positioned partly in front of and partly beneath the passenger cell, 53 percent of the 12 foot 5 inch body is available to the passengers … “With the new variant we can now also satisfy prospective customers who were already convinced by the A-Class design and concept but wanted to have more room,” emphasized D. Joachim Schmidt, member of divisional management… NOV 2004

42 Automóvel Therefore, American's steel manufacturers hired Porsche Engineering Services to develop a new kind of steel monocoque technology calls Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB). As shown in the picture, basically it has the same structure as a conventional monocoque. What it differs from its donor is in minor details - the use of "Hydroform" parts, sandwich steel and laser beam welding. Sandwich steel is made from a thermoplastic (polypropylene) core in between two very thin steel skins. This combination is up to 50 percent lighter compared with a piece of homogenous steel without a penalty in performance. Because it shows excellent rigidity, it is applied in areas that call for high bending stiffness. However, it cannot be used in everywhere because it needs adhesive bonding or riveting instead of welding. NOV 2004

43 Transporte Isotérmico
Vantagem da construção sandwich: Alto isolamento térmico aliado ao desempenho estrutural NOV 2004

44 Bibliografia

45 Bibiografia Plantema, F.J., Sandwich construction; the bending and buckling of sandwich beams, plates, and shells. 1966, New York,: Wiley. xx, 246. Allen, H.G., Analysis and design of structural sandwich panels. 1st ed. 1969, Oxford New York: Pergamon. xvi, 283. Forest Products, L., Wood handbook : wood as an engineering material. General technical report (Forest Products Laboratory) ; FPL-GTR , Madison: The Laboratory. Gay, D., Matériaux composites. 4e éd. rev. et augm. ed. Collection Matériaux. 1997, Paris: Hermès,. 672. Gibson Lorna, J. and F. Ashby Michael, Cellular solids : structure & properties. International series on materials science & technology. 1988, Oxford: Pergamon 1988. Metzger, D.J., The selection of sandwich panels. 1970: Ithaca, N.Y. p. x, 142 l. Middleton, D.H., Composite materials in aircraft structures. 1990, Harlow: Longman Scientific & Technical. Vinson, J.R., The behavior of sandwich structures of isotropic and composite materials. 1999, Lancaster, Pa.: Technomic Publishing Co. Zenkert, D., An introduction to sandwich construction. 1997, Warley: Emas. Zenkert, D. and F. Nordic Industrial, The handbook of sandwich construction. North European engineering and science conference series. 1997, Cradley Heath: EMAS Publishing. NOV 2004

46 FIM


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