بررسی تجربی و عددی رفتار ضربه‌ای سرعت پایین و فشاری در سازه‌های مشبک لانه‌زنبوری چاپ سه‌بعدی‌ شده از جنس ABS

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1122-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی - دانشگاه تهران
2مهندسی مکانیک -دانشگاه تهران
3ریاست دانشکده مهندسی مکانیک تهران
4مهندسی مکانیک دانشگاه تهران
چکیده
در این پژوهش، عملکرد مکانیکی سازه‌های مشبک لانه‌زنبوری تولیدشده به روش ساخت افزایشی تحت بارگذاری ضربه‌ای با سرعت پایین و فشار شبه‌استاتیک به‌صورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. نمونه‌های مشبک با هندسه شش‌ضلعی منظم با استفاده از فناوری (FDM) و ماده ترموپلاستیک ABS ساخته شدند. آزمون‌های فشار تحت کنترل جابجایی به‌منظور ثبت پاسخ‌های تنش–کرنش انجام گرفت و آزمون‌های ضربه افتان با استفاده از ضربه‌زننده نیم‌کره‌ای به جرم ۱ کیلوگرم از ارتفاع ۳۰ سانتی‌متر اجرا شدند. شبیه‌سازی عددی آزمون‌های ضربه و فشار در نرم‌افزار ANSYS و با استفاده از تحلیل دینامیک گذرا و استاتیک غیرخطی صورت پذیرفت. مدل‌های عددی شامل المان‌های جامد برای شبکه و المان‌های تماسی جهت شبیه‌سازی تعامل با ضربه‌زننده بودند. پیش‌بینی‌های عددی تطابق مناسبی با منحنی‌های نیرو–جابجایی حاصل از آزمون ضربه نشان دادند که نمایانگر پاسخ الاستوپلاستیک مشخص به‌همراه کمانش موضعی و له‌شدگی هسته است. همچنین تطابق خوبی بین نتایج شبیه‌سازی و آزمایش در خصوص پروفیل فرورفتگی باقی‌مانده و انرژی جذب‌شده مشاهده شد. رفتار ضربه‌ای با ظرفیت باربری، میزان جذب انرژی و مکانیزم‌های خرابی در بارگذاری فشاری مقایسه گردید. نتایج تجربی نشان می‌دهند که این سازه‌های لانه‌زنبوری چاپ‌شده تحت هر دو نوع بارگذاری تمرکز تغییرشکل قابل‌توجهی از خود نشان می‌دهند که ناشی از خم‌شدگی ورق رویی و چگالی هسته است. این مقاله دیدگاه جدیدی نسبت به رفتار سازه‌ای شبکه‌های پلیمری تولیدشده با چاپ سه‌بعدی ارائه می‌دهد، در حالی‌که مطالعات پیشین عمدتاً بر روی هسته‌های فلزی یا کامپوزیتی متمرکز بوده‌اند. رویکرد بارگذاری دوگانه، درک بهتری از سازوکارهای جذب انرژی فراهم ساخته و به توسعه قطعات سبک و مقاوم در برابر ضربه برای کاربردهای هوافضا و سامانه‌های حفاظتی کمک می‌کند.
کلیدواژه ها
 
Title
Experimental and Numerical Study of Low-Velocity Impact and Compressive Behavior in 3D-Printed ABS Honeycomb Lattice Structures
Authors
Ali Barzegar Falah, Helia Rahimi, Aghil Yousefi Koma, Majid Safarabadi Farahani
Abstract
In the present work, the mechanical performance of additively manufactured honeycomb lattices under low-velocity impact and quasi-static compression is investigated experimentally and numerically. Lattice specimens with regular hexagonal topology were fabricated using Fused Deposition Modeling (FDM) with ABS thermoplastic. Compressive tests were conducted under displacement control for recording stress–strain responses, while low-velocity drop-weight impact tests were per-formed with a 1-kg hemispherical impactor dropped from a height of 30 cm. Finite element simulations of impact and compression were conducted in ANSYS using nonlinear static and transient dynamic analyses, respectively. Numerical models of lattices contain solid elements together with contact elements to simulate interaction with the impactor. Numerical predictions are in good correspondence with experimental force-displacement curves for impact tests, which reflect a distinct elastic-plastic response followed by local buckling and core crushing. Furthermore, a good correspondence between the simulation and the test was obtained regarding the residual dent profiles and absorbed energies. Impact behavior is compared with the load-bearing capacity, energy absorption, and failure modes under compression. Experimental results reveal that the printed honeycomb structures under both loading modes exhibit notable deformation localization controlled by face-sheet bending and core density. This paper provides a new perspective on the structural response of 3D printing-manufactured, polymer-based lattice geometries, while previous studies have focused on metallic or composite-based honeycomb cores. The approach of dual loading improves the understanding of energy dissipation mechanisms and contributes to the development of impact-resilient lightweight components for aerospace and protective applications.
Keywords
Drop-weight impact, Honeycomb lattice, finite element analysis, Compression test