Нестационарный отклик конической композитной оболочки, усиленной углеродными нанотрубками

Авторы

  • Kostiantyn V. Avramov Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0002-8740-693X
  • Borys V. Uspenskyi Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0001-6360-7430
  • Nataliia H. Sakhno Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0003-4179-5316
  • Iryna V. Biblik Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Ukraine https://orcid.org/0000-0002-8650-1134

Ключевые слова:

коническая оболочка, импульсная нагрузка, нестационарный процесс, нанокомпозитный материал

Аннотация

Статья посвящена разработке метода анализа нестационарного деформирования нанокомпозитной оболочки под действием импульсной нагрузки. Развитие инновационных производственных технологий привело к возникновению новых материалов, которые имеют высокий потенциал для использования в аэрокосмической промышленности. В частности, к ним относятся материалы, армированные углеродными нанотрубками – так называемые нанокомпозиты. Эти материалы демонстрируют высокую прочность и жесткость в сочетании с малой массой, что особенно актуально при проектировании элементов ракетных и авиационных конструкций: обтекателей, топливных баков, двигателей. В то же время требует дополнительных исследований поведение элементов конструкций при характерных воздействиях внешней среды в силу анизотропных и функционально-градиентных свойств материала. Определение механических свойств нанокомпозитного материала представляет известную трудность в силу его анизотропной природы. Существуют различные подходы к решению этой проблемы. Наиболее простым и при этом хорошо зарекомендовавшим себя является модифицированное правило смешивания, которое используется в работе. Получены уравнения движения конической оболочки под действием ударной нагрузки. Для вывода уравнений движения оболочки используется теория высокого порядка, учитывающая сдвиги и инерцию вращения. Для анализа нестационарной динамики оболочки проведен анализ ее свободных колебаний. Результаты анализа имеют высокую точность по сравнению с конечноэлементным расчётом, проведенным в программном комплексе ANSYS. Предложен метод анализа динамического отклика оболочки под действием ударной нагрузки, который базируется на анализе собственных форм колебаний конструкции. Получены временные зависимости деформаций адаптера для случаев срабатывания двух и четырех симметрично расположенных пироустройств. Результаты анализа нестационарной динамики адаптера сравнивались с результатами конечноэлементного анализа.

Биографии авторов

Kostiantyn V. Avramov, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10)

Доктор технических наук

Borys V. Uspenskyi, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10)

Кандидат технических наук

Библиографические ссылки

Seidel, G. D. & Lagoudas, D. C. (2006). Micromechanical analysis of the effective elastic properties of carbon nanotube reinforced composites. Mechanics of Materials, vol. 38, iss. 8–10, pp. 884–907. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2005.06.029.

Liu, Y. J. & Chen, X. L. (2003). Evaluations of the effective material properties of carbon nanotube-based composites using a nanoscale representative volume element. Mechanics of Materials, vol. 35, iss. 1–2, pp. 69–81. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(02)00200-4.

Odegard, G. M., Gates, T. S., Wise, K. E., Park, C., & Siochi, E. J. (2003). Constitutive modeling of nanotube–reinforced polymer composites. Composites Science and Technology, vol. 63, iss. 11, pp. 1671–1687. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(03)00063-0.

Allaoui, A., Bai, S., Cheng, H. M., & Bai, J. B. (2002). Mechanical and electrical properties of a MWNT/epoxy composite. Composites Science and Technology, vol. 62, iss. 15, pp. 1993–1998. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(02)00129-X.

Kanagaraj, S., Varanda, F. R., Zhil’tsova, T. V., Oliveira, M. S. A., & Simoes, J. A. O. (2007). Mechanical properties of high density polyethylene/carbon nanotube composites. Composites Science and Technology, vol. 67, iss. 15–16, pp. 3071–3077. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.04.024.

Nejati, M., Asanjarani, A., Dimitri, R., Tornabene, F. (2017). Static and free vibration analysis of functionally graded conical shells reinforced by carbon nanotubes. International Journal of Mechanical Sciences, vol. 130, pp. 383–398. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.06.024.

Hu, H., Onyebueke, L., & Abatan, A. (2010). Characterizing and modeling mechanical properties of nanocomposites. Review and evaluation. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, vol. 9, no. 4, pp. 275–319. https://doi.org/10.4236/jmmce.2010.94022.

Mehrabadi, S. J. & Aragh, B. S. (2014). Stress analysis of functionally graded open cylindrical shell reinforced by agglomerated carbon nanotubes. Thin-Walled Structures, vol. 80, pp. 130–141. https://doi.org/10.1016/j.tws.2014.02.016.

Zhang, L. W., Lei, Z. X., Liew, K. M., & Yu, J. L. (2014). Static and dynamic of carbon nanotube reinforced functionally graded cylindrical panels. Composite Structures, vol. 111, pp. 205–212. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.12.035.

Song, Z. G., Zhang, L. W., & Liew, K. M. (2016). Vibration analysis of CNT-reinforced functionally graded composite cylindrical shells in thermal environments. International Journal of Mechanical Sciences, vol. 115–116, pp. 339–347. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.06.020.

Sobhaniaragh, B., Batra, R. C., Mansur, W. J., & Peters, F. C. (2017). Thermal response of ceramic matrix nanocomposite cylindrical shells using Eshelby-Mori-Tanaka homogenization scheme. Composites Part B: Engineering, vol. 118, pp. 41–53. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.02.032.

Yaser, K., Rossana, D., & Francesco, T. (2018). Free vibration of FG-CNT reinforced composite skew cylindrical shells using the Chebyshev-Ritz formulation. Composites Part B: Engineering, vol. 147, pp. 169–177. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.04.028.

Lei, Z. X., Liew, K. M., & Yu, J. L. (2013). Free vibration analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite plates using the element-free kp-Ritz method in thermal environment. Composite Structures, vol. 106, pp. 128–138. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.06.003.

Lei, Z. X., Zhang, L. W., & Liew, K. M. (2015). Elastodynamic analysis of carbon nanotube-reinforced functionally graded plates. International Journal of Mechanical Sciences, vol. 99, pp. 208–217. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2015.05.014.

García-Macías, E., Rodríguez-Tembleque, L., & Sáez, A. (2018). Bending and free vibration analysis of functionally graded graphene vs. carbon nanotube reinforced composite plates. Composite Structures, vol. 186, pp. 123–138. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.11.076.

Wang, Q., Cui, X., Qin, B., & Liang, Q. (2017). Vibration analysis of the functionally graded carbon nanotube reinforced composite shallow shells with arbitrary boundary conditions. Composite Structures, vol. 182, pp. 364–379. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.09.043.

Wang, A., Chen, H., Hao, Y., & Zhang, Y. (2018). Vibration and bending behavior of functionally graded nanocomposite doubly-curved shallow shells reinforced by graphene nanoplatelets. Results in Physics, vol. 9, pp. 550–559. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.02.062.

Moradi-Dastjerdi, R., Foroutan, M., & Pourasghar, A. (2013). Dynamic analysis of functionally graded nanocomposite cylinders reinforced by carbon nanotube by a mesh-free method. Materials and Design, vol. 44, pp. 256–266. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.07.069.

Shen, H.-S. (2009). Nonlinear bending of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite plates in thermal environments. Composite Structures, vol. 91, iss. 1, pp. 9–19. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2009.04.026.

Wang, Q., Qin, B., Shi, D., & Liang, Q. (2017). A semi-analytical method for vibration analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite doubly-curved panels and shells of revolution. Composite Structures, vol. 174, pp. 87–109. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.04.038.

Reddy, J. N. (1984). A simple higher-order theory for laminated composite plates. ASME Journal of Applied Mechanics, vol. 51, iss. 4, pp. 745–752. https://doi.org/10.1115/1.3167719.

Reddy, J. N. (1984). A refined nonlinear theory of plates with transverse shear deformation. International Journal of Solids and Structures, vol. 20, iss. 9–10, pp. 881–896. https://doi.org/10.1016/0020-7683(84)90056-8.

Amabili, M. (2010). A new non-linear higher-order shear deformation theory for large-amplitude vibrations of laminated doubly curved shells. International Journal of Non-Linear Mechanics, vol. 45, iss. 4, pp. 409–418. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2009.12.013.

Meirovitch, L. (1986). Elements of vibration analysis. New York: McGraw-Hill Publishing Company, 560 p.

Avramov, K., Chernobryvko, M., Uspensky, B., Seitkazenova, K., & Myrzaliyev, D. (2019). Self-sustained vibrations of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite cylindrical shell in supersonic flow. Nonlinear Dynamics, vol. 98, no. 3, pp. 1853–1876. https://doi.org/10.1007/s11071-019-05292-z.

Chernobryvko, M. V., Avramov, K. V., Romanenko, V. N., Batutina, T. J., & Tonkonogenko, A. M. (2014). Free linear vibrations of thin axisymmetric parabolic shells. Meccanica, vol. 49, no. 8, pp. 2839–2845. https://doi.org/10.1007/s11012-014-0027-6.

Gantmakher, F. R. (1966). Lektsii po analiticheskoy mekhanike [Lectures on analytical mechanics]. Moscow: Nauka, 300 p. (in Russian).

Загрузки

Опубликован

2020-06-25

Выпуск

Том 23 № 2 (2020)

Раздел

Динамика и прочность машин

Лицензия

Copyright (c) 2020 Kostiantyn V. Avramov, Borys V. Uspenskyi, Nataliia H. Sakhno, Iryna V. Biblik

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NoDerivatives» («Атрибуция — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в этом  журнале, соглашаются со следующими условиями:

  • Авторы оставляют за собой право на авторство своей работы и передают журналу право первой публикации этой работы на условиях лицензионного  договора (соглашения).
  • Авторы имеют право заключать самостоятельно дополнительные договора (соглашения) о неэксклюзивном распространении работы в том виде, в котором она была опубликована этим журналом (например, размещать работу в электронном хранилище учреждения или публиковать в составе монографии), при условии сохранения ссылки на первую публикацию работы в этом журнале.
  • Политика журнала позволяет размещение авторами в сети Интернет (например, в хранилищах учреждения или на персональных веб-сайтах) рукописи работы, как до подачи этой рукописи в редакцию, так и во время ее редакционной обработки, поскольку это способствует возникновению продуктивной научной дискуссии и позитивно отражается на оперативности и динамике цитирования опубликованной работы (см. The Effect of Open Access).