Нестаціонарний відгук конічної композитної оболонки, посиленої вуглецевими нанотрубками

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.02.021
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Випуск Том 23, № 2, 2020 (червень)
Сторінки 21–32

 

Автори

К. В. Аврамов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: kvavramov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8740-693X

Б. В. Успенський, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: Uspensky.kubes@gmail.com, ORCID: 0000-0001-6360-7430

Н. Г. Сахно, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: natali.sahno@gmail.com, ORCID: 0000-0003-4179-5316

І. В. Біблік, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: i.v.biblik@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8650-1134

 

Анотація

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.

 

Ключові слова: конічна оболонка, імпульсне навантаження, нестаціонарний процес, нанокомпозитний матеріал.

 

Література

  1. Seidel G. D., Lagoudas D. C. Micromechanical analysis of the effective elastic properties of carbon nanotube reinforced composites. Mechanics of Materials. 2006. Vol. 38. Iss. 8–10. P. 884–907. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2005.06.029.
  2. Liu Y. J., Chen X. L. Evaluations of the effective material properties of carbon nanotube-based composites using a nanoscale representative volume element. Mechanics of Materials. 2003. Vol. 35. Iss. 1–2. P. 69–81. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(02)00200-4.
  3. Odegard G. M., Gates T. S., Wise K. E., Park C., Siochi E. J. Constitutive modeling of nanotube–reinforced polymer composites. Composites Sci. and Technology. 2003. Vol. 63. Iss. 11. P. 1671–1687. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(03)00063-0.
  4. Allaoui A., Bai S., Cheng H. M., Bai J. B. Mechanical and electrical properties of a MWNT/epoxy composite. Composites Sci. and Technology. 2002. Vol. 62. Iss. 15. P. 1993–1998. https://doi.org/10.1016/S0266-3538(02)00129-X.
  5. Kanagaraj S., Varanda F. R., Zhil’tsova T. V., Oliveira M. S. A., Simoes J. A. O. Mechanical properties of high density polyethylene/carbon nanotube composites. Composites Sci. and Technology. 2007. Vol. 67. Iss. 15–16. P. 3071–3077. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.04.024.
  6. Nejati M., Asanjarani A., Dimitri R., Tornabene F. Static and free vibration analysis of functionally graded conical shells reinforced by carbon nanotubes. Intern. J. Mech. Sci. 2017. Vol. 130. P. 383–398. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.06.024.
  7. Hu H., Onyebueke L., Abatan A. Characterizing and modeling mechanical properties of nanocomposites. Review and evaluation. J. Minerals & Materials Characterization & Eng. 2010. Vol. 9. No. 4. P. 275–319. https://doi.org/10.4236/jmmce.2010.94022.
  8. Mehrabadi S. J., Aragh B. S. Stress analysis of functionally graded open cylindrical shell reinforced by agglomerated carbon nanotubes. Thin-Walled Structures. 2014. Vol. 80. P. 130–141. https://doi.org/10.1016/j.tws.2014.02.016.
  9. Zhang L. W., Lei Z. X., Liew K. M., Yu J. L. Static and dynamic of carbon nanotube reinforced functionally graded cylindrical panels. Composite Structures. 2014. Vol. 111. P. 205–212. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.12.035.
  10. Song Z. G., Zhang L. W., Liew K. M. Vibration analysis of CNT-reinforced functionally graded composite cylindrical shells in thermal environments. Intern. J. Mech. Sci. 2016. Vol. 115–116. P. 339–347. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.06.020.
  11. Sobhaniaragh B., Batra R. C., Mansur W. J., Peters F. C. Thermal response of ceramic matrix nanocomposite cylindrical shells using Eshelby-Mori-Tanaka homogenization scheme. Composites Part B: Engineering. 2017. Vol. 118. P. 41–53. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.02.032.
  12. Yaser K., Rossana D., Francesco T. Free vibration of FG-CNT reinforced composite skew cylindrical shells using the Chebyshev-Ritz formulation. Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 147. P. 169–177. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.04.028.
  13. Lei Z. X., Liew K. M., Yu J. L. Free vibration analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite plates using the element-free kp-Ritz method in thermal environment. Composite Structures. 2013. Vol. 106. P. 128–138. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.06.003.
  14. Lei Z. X., Zhang L. W., Liew K. M. Elastodynamic analysis of carbon nanotube-reinforced functionally graded plates. Intern. J. Mech. Sci. 2015. Vol. 99. P. 208–217. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2015.05.014.
  15. García-Macías E., Rodríguez-Tembleque L., Sáez A. Bending and free vibration analysis of functionally graded graphene vs. carbon nanotube reinforced composite plates. Composite Structures. 2018. Vol. 186. P. 123–138. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.11.076.
  16. Wang Q., Cui X., Qin B., Liang Q. Vibration analysis of the functionally graded carbon nanotube reinforced composite shallow shells with arbitrary boundary conditions. Composite Structures. 2017. Vol. 182. P. 364–379. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.09.043.
  17. Wang A., Chen H., Hao Y., Zhang Y. Vibration and bending behavior of functionally graded nanocomposite doubly-curved shallow shells reinforced by graphene nanoplatelets. Results in Physics. 2018. Vol. 9. P. 550–559. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.02.062.
  18. Moradi-Dastjerdi R., Foroutan M., Pourasghar A. Dynamic analysis of functionally graded nanocomposite cylinders reinforced by carbon nanotube by a mesh-free method. Materials and Design. 2013. Vol. 44. P. 256–266. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.07.069.
  19. Shen H.-S. Nonlinear bending of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite plates in thermal environments. Composite Structures. 2009. Vol. 91. Iss. 1. P. 9–19. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2009.04.026.
  20. Wang Q., Qin B., Shi D., Liang Q. A semi-analytical method for vibration analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite doubly-curved panels and shells of revolution. Composite Structures. 2017. Vol. 174. P. 87–109. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.04.038.
  21. Reddy J. N. A simple higher-order theory for laminated composite plates. ASME J. Appl. Mech. 1984. Vol. 51. Iss. 4. P. 745–752. https://doi.org/10.1115/1.3167719.
  22. Reddy J. N. A refined nonlinear theory of plates with transverse shear deformation. Int. J. Solids and Structures. 1984. Vol. 20. Iss. 9–10. P. 881–896. https://doi.org/10.1016/0020-7683(84)90056-8.
  23. Amabili M. A new non-linear higher-order shear deformation theory for large-amplitude vibrations of laminated doubly curved shells. Int. J. Non-Lin. Mech. 2010. Vol. 45. Iss. 4. P. 409–418. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2009.12.013.
  24. Meirovitch L. Elements of vibration analysis. New York: McGraw-Hill Publishing Company, 1986. 560 p.
  25. Avramov K., Chernobryvko M., Uspensky B., Seitkazenova K., Myrzaliyev D. Self-sustained vibrations of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite cylindrical shell in supersonic flow. Nonlinear Dynamics. 2019. Vol. 98. No. 3. P. 1853–1876. https://doi.org/10.1007/s11071-019-05292-z.
  26. Chernobryvko M. V., Avramov K. V., Romanenko V. N., Batutina T. J., Tonkonogenko A. M. Free linear vibrations of thin axisymmetric parabolic shells. Meccanica. 2014. Vol. 49. No. 8. P. 2839–2845. https://doi.org/10.1007/s11012-014-0027-6.
  27. Гантмахер Ф. Р. Лекции по аналитической механике. М.: Наука, 1966. 300 с.

 

Надійшла до редакції 30 квітня 2020 р.

Прийнята до друку