In order to satisfy the mechanical requirements for space structures, achieving lightweight designs is of the greatest significance. The primary focus of this study is the utilization of Kelvin cell core in the design of sandwich structures for space applications. The research encompasses a variety of production techniques, analyzes, and tests related to the design of sandwich structures with Kelvin cells as the core material. While a variety of configurations are evaluated in a general sense, particular configurations are examined in greater extensive detail. In this context, the structure's bending stiffness, compression stiffness, and vibration characteristics are analyzed. The analytical procedure begins with a simplified structure analysis, followed by the modeling of the actual geometry. According to applicable standards, stiffness values are calculated based on the deflection results of the analyzes. However, it is important to note that the tests performed on the modeled structures are conducted in a laboratory environment using additively manufactured samples. This permits a comparison between the obtained test results and the findings of the analyzes, shedding light on the effect of the manufacturing method. This study demonstrates that the honeycomb sandwich structure is superior in terms of overall stiffness. In addition, a specially designed reinforced Kelvin Cell structure possesses exceptional bending rigidity properties. In light of these findings, it is clear that the combination of Kelvin Cell core and specific reinforcement strategies has the potential to improve the mechanical performance of sandwich structures. In addition, the deformation results revealed by the analyzes showed that the structure can be deformed in large amounts in directions other than the direction of the force it is exposed to. This situation is of great importance for damping in space applications. As a result of vibration analyzes and tests, the effect of stiffness and mass increase in a certain direction on natural frequencies has been revealed, and with 3-point bending tests, the facing elastic modulus and core shear modulus values of the structure have been determined separately and its effect on the sandwich structure has been shown. Accordingly, this study examined and evaluated many aspects of the possible role of the Kelvin Cell in space applications. / För att tillgodose de mekaniska kraven på rymdkonstruktioner är det av största vikt att uppnå lätta konstruktioner. Det primära fokuset för denna studie är utnyttjandet av Kelvin-Cellkärna vid design av sandwichstrukturer för rymdtillämpningar. Forskningen omfattar en mängd olika produktionstekniker, analyser och tester relaterade till design av sandwichstrukturer med Kelvin-Celler som kärnmaterial. En mängd olika konfigurationer utvärderas generellt, medan vissa specifika konfigurationer undersöks mer utförligt på detaljnivå. I detta sammanhang analyseras strukturens böjstyvhet, kompressionsstyvhet och vibrationsegenskaper. Den analytiska proceduren börjar med en förenklad strukturanalys, följt av modellering av den faktiska geometrin. Enligt gällande standarder beräknas styvhetsvärdena baserat på strukturanalysens resultat. Det är dock viktigt att notera att de tester som utförs på de modellerade strukturerna utförs i en laboratoriemiljö med hjälp av additivt tillverkade prover. Detta möjliggör en jämförelse mellan de erhållna testresultaten och resultaten av analysen, vilket belyser effekten av tillverkningsmetoden. Denna studie visar att sandwichstrukturen honeycomb är bäst när det gäller total styvhet. Dessutom har en specialdesignad förstärkt Kelvin-Cellstruktur exceptionella böjstyvhetsegenskaper. I ljuset av dessa fynd är det tydligt att kombinationen av Kelvin-Cellkärna och specifika förstärkningsstrategier har potential att förbättra den mekaniska prestandan hos sandwichstrukturer. Dessutom visade deformationsresultaten från analyserna att strukturen kan deformeras till hög grad i andra riktningar än den kraft som den utsätts för. Denna iaktagelse är av stor betydelse för dämpning i rymdapplikationer. Som ett resultat av vibrationsanalyser och tester har effekten av styvhet och massökning i en viss riktning på naturliga frekvenser upptäckts, och med 3-punkts böjtester har konstruktionens elasticitetsmodul och skjuvmodulsvärden bestämts separat och dess effekt på sandwichstrukturen har visats. Följaktligen undersökte och utvärderade denna studie många aspekter av Kelvin-Cellens möjliga roll i rymdtillämpningar.

The thesis is concerned with creating of a computational model of open-cell ceramic foam and determining mechanical properties of open-cell ceramic foam using computational modeling. The geometry of Kelvin cell was used for creating the model of geometry of the foam. The model of geometry of ceramic foam structure was meshed with solid elements, with beam elements and with combination of rigid beam and beam elements. Elastic properties of the foam were determined by two types of mechanical loading. Young´s modulus and Poisson´s ratio were determined by tensile/compressive mechanical loading and shear modulus was determined by shear mechanical loading. The relationship between mechanical properties of the foam and the ratio of diameter of strut D and length of strut L was analysed in the thesis. A good agreement was found out between Young´s modulus determined by solid element based and Young´s modulus determined by modified beam based model of geometry of the foam structure – for ratio D/L up to 0,6. In the case of Poisson´s ratio a good agreement was determined up to D/L = 0,4. In conclusion the value of Young´s modulus 1,97 GPa which was determined by computational modeling was compared with the value 1,56 GPa which was determined experimentally on ceramic foam. This difference was caused by idealization of geometry of the real ceramic foam material. In addition, mechanical properties of the ceramic foam material are influenced by structural imperfections of the material.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der thermo-mechanischen Beschreibung und Bewertung von keramischen Filtern für die Metallschmelze-Filtration mithilfe der Finiten-Elemente-Methode. Infolge des zellularen Aufbaus des Werkstoffs handelt es sich um ein Mehrskalenproblem. Grundlegende Aufgaben der Arbeit waren deshalb die geometrische und mechanische Modellbildung sowie die Untersuchung verschiedener effizienzsteigernder Methoden zur Gewinnung einer akkuraten numerischen Lösung. Dabei wurden sowohl verschiedene Verfahren aus der Fachliteratur implementiert und kritisch bewertet, als auch neue Ansätze verfolgt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf das effektive elastische und elastisch-plastische Verhalten von Kelvin-, Weaire-Phelan- und Voronoi-Strukturen. Insbesondere die entwickelten Methoden und Werkzeuge zur automatisierten Modellbildung gestatten in einfacher Weise die Umsetzung von Parameterstudien und Optimierungsaufgaben. Aus darauf aufbauenden Sensitivitätsstudien wurden Empfehlungen hinsichtlich der geometrischen und mechanischen Modellbildung für zellulare Werkstoffe abgeleitet. Diese betreffen auch vielfach eingesetzte Methoden zur Modellreduktion für diese Werkstoffe und tragen somit zukünftig zu einer effizienteren Bewertung von Filterstrukturen bei.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der thermo-mechanischen Beschreibung und Bewertung von keramischen Filtern für die Metallschmelze-Filtration mithilfe der Finiten-Elemente-Methode. Infolge des zellularen Aufbaus des Werkstoffs handelt es sich um ein Mehrskalenproblem. Grundlegende Aufgaben der Arbeit waren deshalb die geometrische und mechanische Modellbildung sowie die Untersuchung verschiedener effizienzsteigernder Methoden zur Gewinnung einer akkuraten numerischen Lösung. Dabei wurden sowohl verschiedene Verfahren aus der Fachliteratur implementiert und kritisch bewertet, als auch neue Ansätze verfolgt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf das effektive elastische und elastisch-plastische Verhalten von Kelvin-, Weaire-Phelan- und Voronoi-Strukturen. Insbesondere die entwickelten Methoden und Werkzeuge zur automatisierten Modellbildung gestatten in einfacher Weise die Umsetzung von Parameterstudien und Optimierungsaufgaben. Aus darauf aufbauenden Sensitivitätsstudien wurden Empfehlungen hinsichtlich der geometrischen und mechanischen Modellbildung für zellulare Werkstoffe abgeleitet. Diese betreffen auch vielfach eingesetzte Methoden zur Modellreduktion für diese Werkstoffe und tragen somit zukünftig zu einer effizienteren Bewertung von Filterstrukturen bei.