Research Information System
Anatolia's Energy: International Erzincan Energy Symposıum — EES'26 , Erzincan, Turkey, 1 - 03 April 2026, pp.124-134, (Full Text)
Today, energy efficiency is not limited solely to energy production and conversion systems but
requires a holistic approach encompassing parameters such as structural lightness, dynamic
rigidity, and vibration control in mechanical systems. In this context, sandwich beams have
critical potential for energy-efficient engineering applications due to their high specific
rigidities (stiffness-to-weight ratios). In this study, the free vibration behavior of sandwich
beams composed of aluminum 2024-T3 face sheets and a polyurethane (PU) foam core was
numerically investigated using the finite element method under clamped-free (C-F) boundary
conditions. Within the scope of parametric analysis, nine different models were evaluated by
varying the face sheet thickness (0.5, 1.0, and 1.5 mm) and core thickness (10, 15, and 20 mm).
To jointly assess structural lightness and dynamic performance, a normalized dynamic
performance index (DP) was defined as the ratio of the square of the first natural frequency to
the total mass, reflecting the effective dynamic stiffness per unit mass. The results show that
increasing the core thickness significantly increases the bending rigidity and natural frequency,
and provides a marked improvement in DP, while keeping mass loss at only a moderate level.
Conversely, increasing face sheet thickness produced limited gains in natural frequency but
significantly elevated structural mass, thereby reducing dynamic efficiency. The highest DP
value (4.38 × 10⁵ Hz²/kg) was achieved by the configuration with the thinnest face sheet (0.5
mm) and thickest core (20 mm), identifying it as the most energy-efficient design. These
findings highlight that optimizing the core-to-face-sheet thickness ratio is critical for achieving
a favorable stiffness-to-mass balance in energy-efficient sandwich beam design.
Günümüzde enerji verimliliği yalnızca enerji üretim ve dönüşüm sistemleriyle sınırlı kalmayıp,
mekanik sistemlerde yapısal hafiflik, dinamik rijitlik ve titreşim kontrolü gibi parametreleri
kapsayan bütüncül bir yaklaşım gerektirmektedir. Bu bağlamda, sandviç kirişler, yüksek özgül
rijitlikleri (rijitlik-ağırlık oranları) nedeniyle enerji verimli mühendislik uygulamaları için kritik
bir potansiyele sahiptir. Bu çalışmada, alüminyum 2024-T3 yüzey tabakaları ve poliüretan (PU)
köpük çekirdekten oluşan sandviç kirişlerin serbest titreşim davranışı, ankastre-serbest (C-F)
sınır koşulları altında sonlu eleman yöntemi kullanılarak sayısal olarak incelenmiştir.
Parametrik analiz kapsamında, yüzey tabakası kalınlığı (0,5, 1,0 ve 1,5 mm) ve çekirdek
kalınlığı (10, 15 ve 20 mm) değiştirilerek dokuz farklı model değerlendirilmiştir. Yapısal hafifliği ve dinamik performansı birlikte değerlendirmek için, birim kütle başına etkin dinamik
rijitliği yansıtan, birinci doğal frekansın karesinin toplam kütleye oranı olarak normalize
edilmiş bir dinamik performans indeksi (DP) tanımlanmıştır. Sonuçlar, çekirdek kalınlığının
artırılmasının eğilme rijitliğini ve doğal frekansı önemli ölçüde artırdığını ve kütle kaybını orta
düzeyde tutarken dinamik performansta (DP) belirgin bir iyileşme sağladığını göstermektedir.
Tersine, yüzey tabakası kalınlığının artırılması doğal frekansta sınırlı kazanımlar sağlarken
yapısal kütleyi önemli ölçüde artırarak dinamik verimliliği düşürmüştür. En yüksek DP değeri
(4,38 × 10⁵ Hz²/kg), en ince yüzey tabakası (0,5 mm) ve en kalın çekirdek (20 mm) ile elde
edilmiş olup, bu da onu en enerji verimli tasarım olarak tanımlamaktadır. Bu bulgular, enerji
verimli sandviç kiriş tasarımında uygun bir rijitlik-kütle dengesi elde etmek için çekirdek-yüzey
tabakası kalınlık oranının optimize edilmesinin kritik önem taşıdığını vurgulamaktadır.