A modified honeycomb for better energy absorption capacity

Diese Forschungsarbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Saint Louis Institute, einem auf den Verteidigungssektor spezialisierten Forschungs- und Entwicklungslabor. Die Ergebnisse wurden auf der LWAG 2022 (Leichtpanzerung für Verteidigung und Sicherheit) in Deutschland vorgestellt. In dieser Studie untersuchen wir die Absorptionseigenschaften einer Sandwichplatte mit einem Kern aus Aluminiumwabenstruktur und einer neuartigen Zellkonfiguration. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung von Schutzpanzerplatten für Anwendungen im Bereich der Panzerung.

Wird eine Platte einem ultraschnellen Stoß (einige Millisekunden), wie beispielsweise einer Explosion, ausgesetzt, lassen sich typischerweise drei Verformungsphasen unterscheiden. Die erste Phase ist eine linear-elastische Verformung über einen sehr kurzen Zeitraum; dies ist die Kompressionsphase.

Sobald der maximale Kompressionsdruck erreicht ist, tritt ein Bereich konstanter Spannungsverformung ein; dies ist das Kompressionsplateau. Nach Überschreiten dieses Plateaus verringert sich die Dicke des Gefüges erheblich, und die Spannung steigt rapide an, bis die vollständige Verdichtung erreicht ist; dies ist der Verdichtungsbereich.

In dieser Studie untersuchen wir den Einfluss verschiedener geometrischer Parameter der Wabenstruktur:

• Die Höhe;
• Der Zelldurchmesser;
• Wandstärke;
• Der Einfluss des Verklebens der Häute;
• Zellkonfiguration: Hexagonal (klassisch) und modifiziert durch EC3D.

Die verschiedenen Proben wurden standardisierten mechanischen Prüfungen unter quasistatischen Bedingungen unterzogen (ASTM C365M und ASTM D7336M). Zur Bewertung der Relevanz der experimentellen Ergebnisse wurden numerische Korrelationen mittels Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Abschließend wurden Versuche unter realen Explosionsbedingungen (schnelle Dynamik) durchgeführt, um Verhaltensunterschiede zu ermitteln.

Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Vorteile der neuen, modifizierten Zellkonfiguration. Bei gleichem Materialeinsatz, gleicher Dichte (dem wichtigsten Parameter) und ähnlichen Herstellungskosten ist die Leistungsfähigkeit unserer Struktur überlegen. Dies bedeutet, dass unsere Struktur bei gleichen mechanischen Eigenschaften weniger Material benötigt (bis zu 30 % weniger), was für viele Branchen einen erheblichen Vorteil darstellt.