The effect of layer thicknesses on buckling behavior in foam core sandwich plates with various materials

Abstract

Sandwich plates consist of a total of three layers, with a thick core layer between two thin face layers. The face layers provide resistance to bending, while the core layer provides resistance to shear. General purpose finite element softwares are one of the most suitable and widely used analysis methods to investigate the behavior of structures. Many design parameters can be easily examined by using these analysis programs. In this study, the buckling behavior of sandwich square plates simply supported on four sides, whose ratio of core layer thickness to face layer thickness is between 7 and 9, was investigated using a general purpose finite element software. The effect of thickness variation was investigated by varying the face and core layer thicknesses of sandwich plates with a constant total thickness. At the same time, the materials of the face and core layers were changed and the most suitable design for the buckling behavior was revealed. For this purpose, 110 analyzes were made with 2 different face materials, 5 different core materials, 11 different thickness ratios. According to the results obtained from the analysis, the maximum critical buckling load was calculated as 282.108 N/mm2 in the sandwich plate with steel face and PVC H200 core. The most suitable design of sandwich plates against buckling was determined by presenting the results with graphics.

Keywords

• Buckling analysis
• Thin plate
• Foam core
• Sandwich plate
• Critical buckling load

Farklı malzemelere sahip köpük çekirdekli sandviç plaklarda tabaka kalınlıklarının burkulma davranışına etkisi

Abstract

Sandviç plaklar, iki ince cidar tabakası arasında kalın bir çekirdek tabakası olmak üzere toplam üç tabakadan oluşur. Cidar tabakaları eğilmeye karşı direnç sağlarken, çekirdek tabakası kaymaya karşı direnç sağlar. Genel amaçlı sonlu elemanlar yazılımları, yapıların davranışını araştırmak için en uygun ve yaygın olarak kullanılan analiz yöntemlerinden birisidir. Bu analiz programları sayesinde birçok tasarım parametresi kolaylıkla incelenebilmektedir. Bu çalışmada, çekirdek tabakası kalınlığının cidar tabakası kalınlığına oranı 7 ile 9 arasında olan dört kenarından basit mesnetli sandviç kare plakaların burkulma davranışı genel amaçlı sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak incelenmiştir. Sabit bir toplam kalınlığa sahip sandviç plakaların cidar ve çekirdek tabaka kalınlıkları değiştirilerek kalınlık değişiminin etkisi araştırılmıştır. Aynı zamanda cidar ve çekirdek tabakalarının malzemeleri de değiştirilerek burkulma davranışına en uygun tasarım ortaya konmuştur. Bu amaçla 2 farklı cidar malzemesi, 5 farklı çekirdek malzemesi, 11 farklı kalınlık oranı ile 110 analiz yapılmıştır. Yapılan analizlerden elde edilen sonuçlara göre en büyük burkulma yükü çelik cidarlı ve PVC H200 çekirdekli sandviç plakta 282.108 N/mm2 olarak hesaplanmıştır. Sonuçlar grafiklerle sunularak sandviç plakların burkulmaya karşı en uygun tasarımı belirlenmiştir.

Keywords

• Burkulma analizi
• İnce plak
• Köpük çekirdek
• Sandviç plak
• Kritik burkulma yükü

References

1. D. Çıraklı, “Investigation of Bending and Buckling Behavıors of Foam Core Sandwich Plates,” Master Thesis, Kütahya Dumlupınar University, Kütahya, 2023.
2. D. Çıraklı, M. H. Saraçoğlu, and U. Albayrak, “Köpük Dolgulu Sandviç Plakların Statik Analizi,” in 2022 Büyük Zafer’in 100. Yılı Anısına Ulusal Lisansüstü Öğrenci Sempozyumu, Kütahya, 2022, pp. 53–53.
3. Ç. Uzay, “Developıng And Testıng Of Polymer Foam Core Sandwıch Structures Wıth Hybrıd Carbon Fıber/Wıre Mesh Sheet Facıngs,” Çukurova Unıversıty, Adana, 2020.
4. DIABGroup, “Guideline to Core and Sandwich,” https://www.diabgroup.com/media/q5yldbe4/diab-guideline-to-core-and-sandwich.pdf.
5. A. Garg, M. O. Belarbi, H. D. Chalak, and A. Chakrabarti, “A review of the analysis of sandwich FGM structures,” Composite Structures, vol. 258. Elsevier Ltd, Feb. 15, 2021. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.113427.
6. F. Uslu, M. H. Saraçoğlu, and U. Albayrak, “Buckling of Square and Circular Perforated Square Plates under Uniaxial Loading,” Journal of Innovations in Civil Engineering and Technology, vol. 4, no. 2, pp. 61–75, 2022.
7. P. Balaraman and V. M. Sreehari, “A comprehensive study on the buckling of sandwich plates,” in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Institute of Physics Publishing, Dec. 2018. doi: 10.1088/1757-899X/455/1/012128.
8. B. Adhikari, P. Dash, and B. N. Singh, “Buckling analysis of porous FGM sandwich plates under various types nonuniform edge compression based on higher order shear deformation theory,” Compos Struct, vol. 251, 2020, doi: 10.1016/j.compstruct.2020.112597.

9. E. Arshid, S. Amir, and A. Loghman, “Bending and buckling behaviors of heterogeneous temperature-dependent micro annular/circular porous sandwich plates integrated by FGPEM nano-Composite layers,” Journal of Sandwich Structures and Materials, vol. 23, no. 8, pp. 3836–3877, Nov. 2021, doi: 10.1177/1099636220955027.
10. E. Altunsaray, “Sandviç Uzun Dikdörtgen Plakların Burkulmasının Parametrik Olarak İncelenmesi,” in 12. Uluslararası Mühendislik Mimarlık ve Tasarım Kongresi, 2023.
11. E. Ventsel and Krauthammer T., Thin Plates and Shells_ Theory, Analysis, and Applications. 2001.
12. T. Wierzbicki, “2.080 Structural Mechanics Lecture 11: Buckling of Plates and Sections.”
13. A. Swanson Analysis System Inc., “ANSYS User’s manual.” 2005.