Деформування різьбових з’єднань метал – композит під дією газодинамічних навантажень

image_print
DOI
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 27, № 4, 2024 (грудень)
Сторінки 31–39

 

Автори

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

М. В. Чернобривко, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), ORCID: 0000-0001-8808-2415

В. В. Комбаров, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетові (61002, Україна, м. Харків, вул. Чорноглазівська, 17), ORCID: 0000-0002-6158-0374

С. І. Планковський, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетові (61002, Україна, м. Харків, вул. Чорноглазівська, 17), ORCID: 0000-0003-2908-903X

Є. В. Цегельник, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетові (61002, Україна, м. Харків, вул. Чорноглазівська, 17), ORCID: 0000-0003-1261-9890

 

Анотація

Поєднання металу й композиту в різьбових з’єднаннях підвищує надійність конструкції, що працює в умовах впливу інтенсивного внутрішнього тиску. Аналіз міцності різьбових з’єднань метал – композит на основі застосування сучасних методів скінченно-елементного моделювання на стадії розроблення проєктної документації дає змогу створювати більш ефективні конструкції, які краще відповідають експлуатаційним вимогам. У цій публікації представлено результати аналізу міцності різьбових з’єднань циліндричних оболонок із композитного матеріалу й металу, що перебувають під дією газодинамічного внутрішнього тиску. Запропонована методика чисельного дослідження задачі в програмному комплексі Ansys / Explicit Dynamics. Використовується деталізоване моделювання різьбових з’єднань. Розроблена модель враховує: залежність властивостей матеріалів від температури довкілля; нелінійний зв’язок між компонентами тензорів напружень і деформацій у металевих елементах, ортотропні властивості композитних матеріалів; особливості контактної взаємодії в зонах різьбових з’єднань елементів збірної оболонки з різного матеріалу. Досліджено напружений стан циліндричної конструкції з центральною оболонкою з вуглепластику або зі склопластику та зі сталевими оболонками по краях, навантаженої газодинамічним внутрішнім тиском із максимальним значенням 20 МПа за максимальної температури навколишнього середовища 100 °С. Отримано, що пластичні деформації зосереджені на краях різьбових з’єднань сталевих оболонок. При цьому величина пластичних деформацій з’єднання з внутрішньою металевою оболонкою на порядок вища, ніж для з’єднання із зовнішньою металевою оболонкою. Величина пластичних деформацій у з’єднанні з внутрішньою металевою оболонкою при використанні склопластику вдвічі менша, ніж у випадку використання вуглепластику. Локалізація критичних напружень спостерігалася тільки в металевих оболонках біля різьбових з’єднань. При цьому в зоні різьби вони в межах пружності, а напружений стан склопластикової оболонки не є критичним. Локального руйнування матеріалу в конструкції не спостерігалося.

 

Ключові слова: різьбове з’єднання, розподіл навантаження, циліндрична оболонкова конструкція, тертя, МСЕ.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Tuli N. T., Khatun S., Bin Rashid A. Unlocking the future of precision manufacturing: A comprehensive exploration of 3D printing with fiber-reinforced composites in aerospace, automotive, medical, and consumer industries. Heliyon. 2024. Vol. 10. Iss. 5. Article e27328. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e27328.
  2. Uspensky B., Derevianko, Avramov K., Maksymenko-Sheiko K., Chernobryvko M. Mechanical properties of auxetic honeycombs realized via material extrusion additive manufacturing: Experimental testing and numerical studies. Applied Composite Materials. 2024. https://doi.org/10.1007/s10443-024-10269-2.
  3. Avramov К., Uspensky B., Chernobryvko M., Urniaieva I. Geometrically nonlinear oscillations of sandwich thin-walled structure with honeycomb manufactured by fused deposition modeling. In: Arsenyeva O., Romanova T., Sukhonos M., Biletskyi I., Tsegelnyk Y. (eds) Smart Technologies in Urban Engineering. STUE 2023. Lecture Notes in Networks and Systems. 2023. Vol. 807. P. 207–217. https://doi.org/10.1007/978-3-031-46874-2_19.
  4. Georgantzinos S. K., Giannopoulos G. I., Stamoulis K., Markolefas S. Composites in aerospace and mechanical engineering. Materials. 2023. Vol. 16. Iss. 22. Article 7230. https://doi.org/10.3390/ma16227230.
  5. Zhao G. H., Hu S. H., Feng C. Loading capacities of bonded composite pipe joints of different structures. Mechanics of Composite Materials. 2024. Vol. 60. P. 67–82. https://doi.org/10.1007/s11029-024-10175-5.
  6. Awd Allah M. M., Abd El Aal M. I., Abd El-baky M. A. Hybrid metal/composite structures under quasi-static axial compression loads: A comparative study. Fibers and Polymers. 2024. Vol. 25. P. 1403–1415. https://doi.org/10.1007/s12221-024-00513-8.
  7. Ming S., Song Z., Zhou C., Du K., Teng C., Wang Y., Xu S., Wang B. The crashworthiness design of metal/CFRP hybrid tubes based on origami-ending approach: Experimental research. Composite Structures. 2022. Vol. 279. Article 114843–114858. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114843.
  8. Derevianko, Uspensky B., Avramov K., Salenko A., Maksymenko-Sheiko K. Experimental and numerical analysis of mechanical characteristics of fused deposition processed honeycomb fabricated from PLA or ULTEM 9085. Journal of Sandwich Structures & Materials. 2023. Vol. 25. Iss. 2. P. 264–283. https://doi.org/10.1177/10996362221137292.
  9. Martynenko G., Chernobryvko M., Avramov K., Martynenko V., Tonkonozhenko A., Kozharin V., Klymenko D. Numerical simulation of missile warhead operation. Advances in Engineering Software. 2018. Vol. 123. P. 93–103. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2018.07.001.
  10. Shi T., Liu Y., Liu Zh., Liu C. Distributions of tension and torsion in a threaded connection. International Journal of Mechanical Sciences. 2024. Vol. 261. Article 108684. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108684.
  11. Alessio R. P., Andre N. M., Goushegir S. M., Dos Santos J. F., Mazzaferro J. A. E., Amancio-Filho S. T. Prediction of the mechanical and failure behavior of metal-composite hybrid joints using cohesive surfaces. Materials Today Communication. 2020. Vol. 24. Article 101205. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101205.
  12. Canturri C., Salim Y. S., Pivdiablyk I., Sing S. L. Failure analysis of thermoplastic composites subject to galvanic corrosion in hybrid metal–composite joints. Engineering Failure Analysis. 2024. Vol. 164. Article 108405. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2024.108405.
  13. Lambiase F, Scipioni S. I, Lee C.-J., Ko D.-C., Liu F. A state-of-the-art review on advanced joining processes for metal-composite and metal-polymer hybrid structures. Materials. 2021. Vol. 14. Iss. 8. Article 1890. 234 p. https://doi.org/10.3390/ma14081890.
  14. Lin Q., Zhao Y., Pan W., Liu Y. An improved 3D model of composite bolted joints with detailed thread structure and progressive damage analysis of realistic tightening process. Composite Structures. 2023. Vol. 315. Article 117016. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117016.
  15. Martynenko G., Avramov K., Martynenko V., Chernobryvko M., Tonkonozhenko A., Kozharin V. Numerical simulation of warhead transportation. Defence Technology. 2021. Vol. 17. Iss. 2. P. 478–494. https://doi.org/10.1016/j.dt.2020.03.005.
  16. Uspensky B. V., Derevianko I. I., Avramov K. V., Polishchuk O. F., Salenko O. F. Multi-cycle fatigue of composite three-layer plates with honeycomb structure made by additive FDM technologies. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2022. Vol. 25. No. 3. P. 16–28. https://doi.org/10.15407/pmach2022.03.016.
  17. Hallquist J. O. LS-DYNA theory manual. Livermore, California: Livermore Software Technology Corporation (LSTC), 2006. 680 p.

 

Надійшла до редакції 26.09.2024