Sandwich Construction

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

2. Sandwich Construction • Introdução • Leis Constitutivas • Exemplo • Design procedures • Aplicações • Bibliografia

3. Introdução • Origem • Princípio Sandwich • Vantagens e Desvantagens

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

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.

6. (c) web core (d) corrugated core Princípio Sandwich

7. Vantagens e desvantagens

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

10. Teoria clássica vs Teoria 1ª ordem Teoria Clássica Laminados Teoria 1ª ordem

11. Campo de Deslocamentos Teoria Clássica Laminados Teoria 1ª ordem

12. Campo de Deformações Teoria Clássica Laminados Teoria 1ª ordem

13. Relação Tensão-Extensão  TCL Teoria Clássica Laminados • Extensões superfície média • Curvaturas • Relação Tensão/Extensão

14. Leis Constitutivas  TCL • Forças de membrana actuantes no laminado • Momentos actuantes no laminado

15. Relação Tensão-Extensão  1ª ordem • Extensões superfície média • Relação Tensão/Extensão • Curvaturas

16. Leis constitutivas  1ª Ordem

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

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

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

20. Viga de contraplacado 18.2 mm

21. Viga sandwich em GRP + PU • Viga sandwich • 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 •  = 0.33

22. Vigas sandwich em GRP + PU

23. Design procedures

24. Design procedures • Vários envelopes de rotura concorrentes • Altamente dependente da geometria e do carregamento

25. Design procedures

26. Design procedures

27. Design procedures

28. Aplicações

29. Aplicações • Aeroespacial • Aeronáutico • Construção • Desporto • Naval • Automóvel • Veículos Ferroviários • etc

30. Satélites

31. Aeroespacial

32. Aeronautico

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.

34. Naval

35. Naval

36. Desporto

37. 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.

38. 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.

39. Construção civil

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)

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…

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.

43. Transporte Isotérmico • Vantagem da construção sandwich: Alto isolamento térmico aliado ao desempenho estrutural

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-113. 1999, 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.

46. FIM