Sandwich core periodic cell topology effects
Effets de la topologie des cellules d'une structure en nid d'abeille
Résumé
Honeycomb sandwich panels are well known to provide interesting static out of plane properties because of their high equivalent stiffness whilst containing mass and for this reason, they are widely used as a ‘building brick’ in the Aerospace, Automotive and Naval industries. The environment in which these materials operate involve external forces which excites them in the mid-low frequency range. However, while a high stiffness/mass ratio is a desirable static property, the vibration frequency domain is usually in the high range and therefore they become poor mechanical and acoustic insulators within the frequency range they are usually subjected to. The question addressed then is simple: how periodic concepts can improve the broadband vibroacoustic signatures and performances of those structures? Most of vibroacoustic solutions are frequency band limited, specific and usually include the addition of mass, which for certain engineering segments is disadvantageous. Including vibroacoustic design rules at early stage of product development is one of the main research targets to improve their performance and would allow to design tuned structures without any later intervention or mass increment. This work focuses on investigating existing sandwich panel core topologies and attempt to create novel improved structures. The research was carried out trying to maintain the desired structural properties which justifies the usage of such solution in the first place but also considering its potential use as a platform for Multiphysics resonating periodic material inserts. Such cellular cores were manufactured using Kirigami, which is a variation of Origami, an ancient Japanese technique that consists in creating 3D structures by folding a 2D sheet of material. This manufacturing technique can be used as a systematic way to produce general honeycomb configurations with off-the-shelf long fibre composites by thermoforming and/or autoclaving. The main indicator on which I will focus to evaluate the vibroacoustic performance of the proposed innovative topologies will be the number and range of stopbands, also known as a bandgaps, which describe the frequency ranges in which elastic waves are not transmitted within the structure, in combination with the constituent material and its damping properties. This manuscript is organised in five chapters. The first one consists of a brief overview on periodic structures in the various engineering domains. Emphasis on Sandwich panels and their most popular manufacturing techniques will also be described. The second chapter will introduce the reader to the concept of elastic wave propagation in periodic media. Also, phenomena like Bragg or resonant bandgaps will be explained as well as the Floquet-Bloch theory applied to macro-scale structures such as aeronautical cellular cores.[...]
Les panneaux composites sandwich possédant une âme nid d'abeille permettent de disposer à la fois de propriétés statiques hors plan intéressantes (en raison de leur rigidité équivalente élevée) et de caractéristiques de masses faibles. Pour cette raison, ils sont largement utilisés dans les industries aérospatiale, automobile et navale. Les environnements dans lesquels ces matériaux sont utilisés mettent en jeu des efforts dans des gammes de fréquences larges. Si un rapport rigidité / masse élevé est profitable dans le domaine des basses fréquences, il conduit généralement à des comportements vibratoires et acoustiques médiocres lorsque la fréquence d’excitation augmente. La question abordée dans ce travail peut être formulée comme : comment les concepts périodiques peuvent-ils améliorer les signatures vibroacoustiques large bande et les performances de ces structures ? La plupart des solutions vibroacoustiques sont limitées en terme de bande de fréquences d’efficacité, et induisent généralement un ajout de masse. La prise en compte de règles de conception vibroacoustiques à un stade précoce du développement du produit est l'un des principaux objectifs de recherche en vue d’améliorer leurs performances et permettrait de concevoir des structures accordées sans aucune intervention ultérieure ou augmentation de masse. Ce travail se concentre donc sur l'étude des topologies de base de panneaux sandwich existants et a pour objectif de créer de nouvelles structures améliorées. La recherche a été menée en essayant de maintenir les propriétés structurelles souhaitées, ce qui justifie l'utilisation d'une telle solution en premier lieu, mais également en considérant son utilisation potentielle comme plate-forme pour la mise en place d’inserts de matériaux périodiques résonants. Ces noyaux cellulaires ont été fabriqués en utilisant la technique du Kirigami (qui est une variante de l'Origami) : il s’agit d’une ancienne technique japonaise qui consiste à créer des structures 3D en pliant et en découpant une feuille de matériau 2D. Cette technique de fabrication peut être utilisée comme un moyen systématique de produire des configurations générales en nid d'abeilles avec des composites à fibres longues par thermoformage et / ou autoclavage. Le principal indicateur utilisé ici afin d’évaluer les performances vibroacoustiques des topologies innovantes proposées est le nombre et la plage de bandes d'arrêt, également connues sous le nom de bandes interdites, qui décrivent les plages de fréquences dans lesquelles les ondes élastiques ne peuvent pas se propager dans la structure. Ce manuscrit est organisé en cinq chapitres. Le premier consiste en un bref aperçu des structures périodiques dans les différents domaines d'ingénierie. L'accent est mis sur les panneaux sandwich et leurs techniques de fabrication les plus populaires sera également décrit. Le deuxième chapitre présentera au lecteur le concept de propagation des ondes élastiques dans les milieux périodiques. De plus, des phénomènes comme les interférences de Bragg ou les bandes interdites résonantes seront présentés ainsi que la théorie de Floquet-Bloch appliquée aux structures à périodiques typiquement utilisées dans l’aéronautique. Cette dernière dérivation mathématique sera fusionnée avec l'approche d'analyse par éléments finis et mise en œuvre comme base pour les outils de prédiction numérique spécialement développés afin de permettre la réalisation d’investigations paramétriques sur des panneaux sandwich complets ou des cœurs nus. La théorie de Floquet-Bloch permet de récolter des informations cruciales sur le comportement dynamique de l’ensemble de la structure en n’effectuant l’analyse que sur une petite partie de celle-ci (cellule unitaire).[...]
Origine : Version validée par le jury (STAR)