Нестаціонарний відгук конічної композитної оболонки, посиленої вуглецевими нанотрубками
Ключові слова:
конічна оболонка, імпульсне навантаження, нестаціонарний процес, нанокомпозитний матеріалАнотація
Стаття присвячена розробці методу аналізу нестаціонарного деформування нанокомпозитної оболонки під впливом імпульсного навантаження. Розвиток інноваційних виробничих технологій привів до виникнення нових матеріалів, які мають високий потенціал для використання в аерокосмічній промисловості. До них, зокрема, належать матеріали, які армовано вуглецевими нанотрубками (ВНТ) – так звані нанокомпозити. Ці матеріали демонструють високу міцність та жорсткість в поєднанні з малою масою, що є надзвичайно актуальним під час проєктування елементів ракетних та авіаційних конструкцій: обтічників, паливних баків, двигунів. Водночас, поведінка елементів конструкцій за характерних впливів зовнішнього середовища потребує додаткового дослідження внаслідок анізотропних та функціонально-градієнтних властивостей матеріалу. Визначення механічних властивостей нанокомпозитного матеріалу викликає деяку складність внаслідок його нанокомпозитної природи. Існують різні підходи до розв’язання цієї проблеми. Модифіковане правило змішування є найпростішим і при цьому таким, що добре себе зарекомендувало. Його використано в роботі. Отримано рівняння руху конічної оболонки під впливом ударного навантаження. Для виводу рівнянь руху оболонки використано теорію високого порядку, яка враховує зсуви та інерцію обертання. Для аналізу нестаціонарної динаміки оболонки проведено аналіз її вільних коливань. Результати аналізу мають високу точність у порівнянні зі скінченно-елементним розрахунком, який проведено в програмному комплексі ANSYS. Запропоновано метод аналізу динамічного відгуку оболонки під впливом ударного навантаження, який базується на аналізі власних форм коливань конструкції. Отримано часові залежності деформацій адаптера для випадків спрацювання двох та чотирьох піропристроїв. Результати аналізу нестаціонарної динаміки адаптера було порівняно з результатами скінченно-елементного аналізу.Посилання
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).
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2020 Kostiantyn V. Avramov, Borys V. Uspenskyi, Nataliia H. Sakhno, Iryna V. Biblik
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи і передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензійного договору (угоди).
- Автори мають право самостійно укладати додаткові договори (угоди) з неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати в складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установи або на персональних веб-сайтах) рукопису роботи як до подачі цього рукопису в редакцію, так і під час її редакційної обробки, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії і позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
