google-site-verification: google52572f315c4b9a26.html
نشریه علمی صوت و ارتعاش

نشریه علمی صوت و ارتعاش

تحلیل مودال تجربی و عددی تیرهای ساندویچی چاپ سه‌بعدی با هسته‌های هیبریدی، لانه‌زنبوری و مثلثی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمود جعفری
حشمت... محمدخانلو
علی نوری
سازه‌های هوایی، دانشکده تحصیلات تکمیلی، دانشگاه هوایی شهید ستاری، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، آنالیز مودال تیرهای ساندویچی چاپ سه‌بعدی با سه توپولوژی هسته‌ی متفاوت شامل هسته‌ی مثلثی، لانه‌زنبوری و هیبریدی (ترکیبی از مثلثی و لانه‌زنبوری) به‌صورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی، ارزیابی تأثیر توپولوژی هسته بر فرکانس‌های طبیعی و ضرایب میرایی مودال به‌عنوان شاخص‌های کلیدی عملکرد دینامیکی است. نمونه‌ها با استفاده از روش مدل‌سازی رسوب ذوبی[i] (FDM) و ماده‌ی پلی لاکتیک اسید[ii] (PLA) ساخته شدند و آزمون مودال ضربه‌ای با چکش جهت استخراج توابع پاسخ فرکانسی انجام گردید. فرکانس‌های طبیعی و میرایی با استفاده از الگوریتم‌های برازش منحنی در حوزه‌ی فرکانس استخراج شدند. برای شبیه‌سازی عددی، مدل اجزاء محدود در نرم‌افزار آباکوس ایجاد و نتایج با داده‌های تجربی اعتبارسنجی شدند (خطای نسبی کمتر از 5 درصد). یافته‌ها نشان می‌دهد که هسته‌ی هیبریدی علیرغم وزن تقریباً یکسان، بیشترین فرکانس طبیعی را در تمام مودهای خمشی ارائه می‌دهد. بررسی میرایی مودال نشان داد که اگرچه هسته‌ی لانه‌زنبوری در مود اول رفتار استهلاک انرژی بهتری دارد، اما هسته‌ی هیبریدی در مودهای بالاتر (چهارم و پنجم) دارای جهش قابل توجهی در میرایی است که ناشی از اثرات ترکیبی اتلاف انرژی در مرز مشترک توپولوژی‌ها می‌باشد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که به‌کارگیری هسته‌های هیبریدی راهکاری کارآمد برای مهندسی طیف فرکانسی و کنترل میرایی در سازه‌های ساندویچی سبک وزن است.



1 Fused Deposition Modelling, FDM


2 Polylactic Acid, PLA
کلیدواژه‌ها
تحلیل مودال تجربی
تابع پاسخ فرکانسی
هسته هیبریدی
فرکانس طبیعی
میرایی
مدل‌سازی رسوب ذوبی
موضوعات

عنوان مقاله English

Vibration Behavior of 3D-Printed Sandwich Beams with Hybrid, Honeycomb, and Triangular Cores: An Experimental and Numerical Study

نویسندگان English

Mahmood jafari
Heshmat mohammad khanlo
Ali nouri
Aerospace Structures, Graduate School, Shahid Sattari Air University, Tehran, Iran.
چکیده English

This study presents an experimental and numerical investigation into the vibrational response of 3D-printed sandwich beams with three distinct core topologies: triangular, honeycomb, and a hybrid configuration combining both. The primary objective is to assess the influence of core topology on natural frequencies and modal damping ratios as key dynamic performance indicators. Specimens were fabricated using Fused Deposition Modeling (FDM) with Polylactic Acid (PLA) material, and impact hammer modal testing was conducted to extract the Frequency Response Functions (FRFs). Natural frequencies and damping ratios were subsequently derived using frequency-domain curve-fitting algorithms. For numerical simulations, a finite element model was developed in Abaqus and validated against the experimental data, yielding a relative error of less than 5%. The findings reveal that the hybrid core, despite having a nearly identical weight, consistently delivers the highest natural frequencies across all bending modes. Modal damping analysis indicates that while the honeycomb core exhibits superior energy dissipation behavior in the first mode, the hybrid core demonstrates a remarkable surge in damping at higher modes (fourth and fifth), which is attributed to the synergistic energy loss effects at the interface between the dissimilar topologies. The outcomes of this research confirm that the application of hybrid cores constitutes an efficient strategy for frequency spectrum engineering and damping control in lightweight sandwich structures.

کلیدواژه‌ها English

Experimental Modal Analysis
Frequency Response Function
Hybrid Core
Natural Frequency
Fused Deposition Modeling
1]  Burchardt, Claus. 1997. "Fatigue of Sandwich Structures with Inserts." Composite Structures 40 (3-4):201–11. https://doi.org/10.1016/S0263-8223(98)00156-1.
[2]  Gibson, I. J., and Michael Farries Ashby. 1982. "The Mechanics of Three-Dimensional Cellular Materials." Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences 382 (1782):43–59. https://doi.org/10.1098/rspa.1982.0088.
[3]  Soleimani, Seyed Soroush, and Okan Ozdemir. 2024. "Experimental and Numerical Studies on Quasi‐Static Behavior of Sandwich Composites with Nano Clay Modified Kevlar Facesheets and Aluminum Honeycomb Core." Polymer Composites 45 (14):13196–211. https://doi.org/10.1002/pc.28696.
[4]  T.C. Triantafillou, L.J. Gibson. 1987. "Failure Mode Maps for Foam Core Sandwich Beams." Materials Science and Engineering 95:37–53. https://doi.org/10.1016/0025-5416(87)90496-4.
[5] اسماعیلی, ریحانه. 2021. "بهینه‌سازی عملکرد آکوستیکی در ورق‌های ساندویچی با هسته لانه زنبوری." مجله علمی صوت و ارتعاش 9 (18):106–14.  https://jvs.isav.ir/article_244179.html
[6]  Clarkson, B. L., and D. J. Mead. 1973. "High Frequency Vibration of Aircraft Structures." Journal of Sound and Vibration 28 (3):487–504. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0022-460X(73)80036-7.
[7]  Gajjar, Tusharbhai, Richard Yang, Lin Ye, and Y. X. Zhang. 2024. "Effects of Key Process Parameters on Tensile Properties and Interlayer Bonding Behavior of 3d Printed Pla Using Fused Filament Fabrication." Progress in Additive Manufacturing 10 (2):1261–80. https://doi.org/10.1007/s40964-024-00704-y.
[8]  Kamaal, M., M. Anas, H. Rastogi, N. Bhardwaj, and A. Rahaman. 2020. "Effect of Fdm Process Parameters on Mechanical Properties of 3d-Printed Carbon Fibre–Pla Composite." Progress in Additive Manufacturing 6 (1):63–69. https://doi.org/10.1007/s40964-020-00145-3.
[9]  Wang, Peng, Bin Zou, Hongchuan Xiao, Shouling Ding, and Chuanzhen Huang. 2019. "Effects of Printing Parameters of Fused Deposition Modeling on Mechanical Properties, Surface Quality, and Microstructure of Peek." Journal of Materials Processing Technology 271:62–74. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.03.016.
[10]  Wang, Shuheng, Yongbin Ma, Zichen Deng, Sen Zhang, and Jiaxin Cai. 2020. "Effects of Fused Deposition Modeling Process Parameters on Tensile, Dynamic Mechanical Properties of 3d Printed Polylactic Acid Materials." Polymer Testing 86 https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106483.
[11]  Dobos, József, Muammel Hanon, and István Oldal. 2021. "Effect of Infill Density and Pattern on the Specific Load Capacity of Fdm 3d-Printed Pla Multi-Layer Sandwich." Journal of Polymer Engineering 42 https://doi.org/10.1515/polyeng-2021-0223.
[12]  Sun, Zhi, Dong Li, Weisheng Zhang, Shanshan Shi, and Xu Guo. 2017. "Topological Optimization of Biomimetic Sandwich Structures with Hybrid Core and Cfrp Face Sheets." Composites Science and Technology 142:79–90. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.01.029.
[13]  Xiao, Lei, Xiang Sun, Li Cheng, and Xiang Yu. 2025. "Broadband and Robust Vibration Reduction in Lattice-Core Sandwich Beam with 3d-Printed Qzs Resonators." Composite Structures 352 https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118626.
[14]  Vasumathi, M., S. Rashia Begum, N. Balaji et al. 2025. "Assessing the Mechanical and Vibrational Response of Hybrid Metal-Fibre Sandwich Panels Fabricated with Additively Manufactured Core Structures." Progress in Additive Manufacturing 10 (8):5317–27. https://doi.org/10.1007/s40964-024-00908-2.
[15] باقری, عباسعلی, وحید فرتاش وند, و عبدالواحد کمی. 2023. "پس پردازش قطعات اکریلونیتریل-بوتادین-استایرن چاپ سه‌بعدی با استفاده از ارتعاشات فراصوت." مجله علمی صوت و ارتعاش 11 (22):79–90.  https://jvs.isav.ir/article_704408.html
[16]  Yao, Tianyun, Huajiang Ouyang, Shi Dai, Zichen Deng, and Kai Zhang. 2021. "Effects of Manufacturing Micro-Structure on Vibration of Fff 3d Printing Plates: Material Characterisation, Numerical Analysis and Experimental Study." Composite Structures 268 https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113970.
[17]  Papageorgiou, Vasileios, Konstantinos Tsongas, Michel T. Mansour, Dimitrios Tzetzis, and Gabriel Mansour. 2025. "Mechanical Properties and Vibrational Behavior of 3d-Printed Carbon Fiber-Reinforced Polyphenylene Sulfide and Polyamide-6 Composites with Different Infill Types." Journal of Composites Science 9 (2):59. https://doi.org/10.3390/jcs9020059.
[18]  Selvaraj, Rajeshkumar, Kamesh Gupta, Shubham Kumar Singh, Ankur Patel, and Manoharan Ramamoorthy. 2021. "Free Vibration Characteristics of Multi-Core Sandwich Composite Beams: Experimental and Numerical Investigation." Polymers and Polymer Composites 29 (9_suppl):S1414–S23. https://doi.org/10.1177/09673911211057679.
[19]  Shankar, A. N., S. M. Murali Krishna, Rohinikumar Chebolu, Ajay K. S. Singholi, Rasmeet Singh, and S. Rajeshkumar. 2022. "Effect of Carbon Nanotubes Reinforcement on Eigenmodes of Multi-Smart Core Sandwich Composite Cylindrical Shell Panels." Polymer Composites 43 (2):1078–89. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/pc.26435.
[20]  Wang, Yong-jing, Zhi-jia Zhang, Xiao-min Xue, and Ling Zhang. 2019. "Free Vibration Analysis of Composite Sandwich Panels with Hierarchical Honeycomb Sandwich Core." Thin-Walled Structures 145 https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106425.
[21]  Thanikasalam, Narayanan, and Manoharan Ramamoorthy. 2023. "Vibrational Behavior of a 3d Printed Biomimetic Dual‐Core Composite Sandwich Beam: An Experimental and Numerical Study." Polymer Composites 45:1178–94. https://doi.org/10.1002/pc.27844.
[22]  Guo, Zhenkun, Shuai Jiang, Yongjun Shen et al. 2025. "Nonlinear Dynamic Analysis and Vibration Reduction of Two Sandwich Beams Connected by a Joint with Clearance." Mechanical Systems and Signal Processing 223:111828.  https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.111828.
[23]  Wu, Yi-Chuang, Yun-Jhen Lai, Jhen-Hao Syu, and Ming Ji. 2025. "Dynamic Analysis of 3d Printed Lattice Sandwich Beam with Square Grid Core." Journal of Mechanics 41:103–28. https://doi.org/10.1093/jom/ufaf009.
[24]  Chacón, J. M., M. A. Caminero, E. García-Plaza, and P. J. Núñez. 2017. "Additive Manufacturing of Pla Structures Using Fused Deposition Modelling: Effect of Process Parameters on Mechanical Properties And their Optimal Selection." Materials & Design 124:143–57. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.03.065.