Порівняння характеристик композитних та сталевих валів на основі напружено-деформаційної реакції та втомної довговічності

Автори

C. E. Abner, Ogbonna Onu Polytechnic (119, Aba-Owerri Rd, Abayi, Aba 450102, Abia, Нігерія), e-mail: chikwado@abiastatepolytechnic.edu.ng, ORCID: 0009-0005-5102-6467

K. U. Ugoji, Federal Polytechnic of Oil and Gas (P.O. Box 5027, Bonny Island, Rivers State, Нігерія), e-mail: ugoji@fedpolybonny.edu.ng, ORCID: 0009-0001-6482-6552

I. A. Green, Federal Polytechnic of Oil and Gas (O. Box 5027, Bonny Island, Rivers State, Нігерія), e-mail: abba.green@yahoo.com, ORCID: 0009-0009-3243-6785

S. Umar, Federal Polytechnic of Oil and Gas (P.O. Box 5027, Bonny Island, Rivers State, Нігерія), e-mail: Umarsh1203@gmail.com, ORCID: 0009-0004-9639-3829

B. Igbere, Federal Polytechnic of Oil and Gas (P.O. Box 5027, Bonny Island, Rivers State, Нігерія), e-mail: Ndukam.igbere@edu.ng, ORCID: 0009-0008-6972-0678

Анотація

Зростаючий попит на легкі та високопродуктивні обертові механізми викликав інтерес до заміни традиційних сталевих валів сучасними композитними альтернативами. В цьому дослідженні запропоновано порівняльний аналіз напружено-деформаційної поведінки та втомної довговічності для сталевих і композитних валів з однаковою геометрією, які піддаються комбінованому осьовому та крутильному навантаженню. У роботі поєднано аналітичне моделювання, чисельне моделювання на основі MATLAB та прогнозування втомної довговічності за методом «напруження‑довговічність» (S–N). Під дією навантаження композитний вал демонструє вищу пружну деформацію (1,20×10²), ніж сталь (8,2×10¹), що відображає його нижчий ефективний модуль. Аналіз втоми показує, що композитний вал витримує майже у 1,94 рази більшу амплітуду напруження при 10⁷ циклах порівняно зі сталевим, що підкреслює його вищу стійкість до втоми у режимі великої кількості циклів. Крім того, композитний вал забезпечує значне зменшення ваги на 79,6% (3,77 кг проти 18,50 кг для сталі) та вищий коефіцієнт запасу міцності (9,38 проти 6,21). Його співвідношення жорсткості до ваги більш ніж утричі перевищує ці показники для сталі, що свідчить про значно покращену конструктивну ефективність. Хоча початкова вартість матеріалу для композитів є вищою, результати чітко показують, що композитні вали мають суттєві переваги у застосуваннях, де критичними є втомна довговічність та менша вага. Ці висновки забезпечують міцну аналітичну та чисельну основу для обґрунтованого вибору матеріалів і оптимізації конструкції обертових валів.

Ключові слова: обертові механізми, композитний вал, сталевий вал, втомна довговічність, напружено-деформаційний аналіз.

Література

1. Ruiz-Ponce G., Arjona M. A., Hernández C., Escarela-Pérez R. A review of magnetic gear technologies used in mechanical power transmission. Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 4. Article 1721. https://doi.org/10.3390/en16041721.
2. Kamboh M. S., Machhi M. A., Kamboh M. F. Design and analysis of drive shaft with a critical review of advance composite materials and the root causes of shaft failure. International Research Journal of Engineering and Technology. 2020. Vol. 7. Iss. 6. P. 3897–3907.
3. Budynas R. G., Nisbett J. K. Shigley’s mechanical engineering design (11th ed.). McGraw-Hill Education, 2020.
4. Kim S., Ahn S.-H. A CFRP/steel hybrid rotating shaft for a high-speed motorized spindle. Journal of Manufacturing Processes. 2024. Vol. 119. P. 66–72. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.03.072.
5. Bilalis E. P., Keramidis M. S., Tsouvalis N. G. Structural design optimization of composite materials drive shafts. Marine Structures. 2022. Vol. 84. Article 103194. https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2022.103194.
6. Jaber S. Vibration in rotating machinery: Analysis & solutions. SimScale. 2025. Retrieved January 2, 2026, from https://www.simscale.com/blog/vibration-in-rotating-machinery-analysis-solutions.
7. Gere J. M., Goodno B. J. Mechanics of materials (9th ed.). Cengage Learning, 2018.
8. Hu D., Dai X., Xie B., Li W., Yu H., Chen H. Fatigue life of flywheel energy storage rotors composed of 30Cr2Ni4MoV steel. Energies. 2024. Vol. 17. Iss. 15. Article 3730. https://doi.org/10.3390/en17153730.
9. Kaw A. K. Mechanics of composite materials (2nd ed.). CRC Press, 2006. 490 p. https://doi.org/10.1201/9781420058291.
10. Ozkan D., Gok M. S., Karaoglanli A. C. Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite materials, their characteristic properties, industrial application areas and their machinability. In: Öchsner, A., Altenbach, H. (eds) Engineering Design Applications III. Advanced Structured Materials. Cham: Springer International Publishing, 2020. Vol. 124. P. 235–253. https://doi.org/10.1007/978-3-030-39062-4_20.
11. Forintos N., Czigany T. Multifunctional application of carbon fiber reinforced polymer composites: Electrical properties of the reinforcing carbon fibers–A short review. Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 162. P. 331–343. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.10.098.
12. Abrate S. Impact mechanics of composite structure (2nd ed.). Cambridge University Press, 2005.
13. Gibson R. F. Principles of composite material mechanics (4th ed.). CRC Press, 2016. 700 p. https://doi.org/10.1201/b19626.
14. Carlsson L. A., Adams D. F., Pipes R. B. Experimental characterization of advanced composite materials (4th ed.). CRC Press, 2014. 379 p. https://doi.org/10.1201/b16618.
15. Zhang D., Liu Y., Liu H., Feng Y., Guo H., Hong Z., Zhang Y. Characterisation of damage evolution in plain weave SiC/SiC composites using in situ X-ray micro-computed tomography. Composite Structures. 2021. Vol. 275. Article 114447. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114447.
16. Collins J. A., Busby H. R., Staab G. H. Mechanical design of machine elements and machines: A failure prevention perspective (2nd ed.). John Wiley & Sons, 2009.
17. Tarkashvand A., Daneshjou K., Golmohammadi A., Daneshjoo Z. Viscoelastic-acoustic response of new polymeric matrix composite shells considering cavity resonances using a new approach: Layered viscoelastic model. Composite Structures. 2022. Vol. 292. Article 115673. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115673.
18. ANSYS Inc. ANSYS Mechanical user’s guide. ANSYS Inc., 2021.
19. Madenci E., Guven I. The finite element method and applications in engineering using ANSYS®. Springer, 2015. 657 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-7550-8.
20. Logan D. L. A first course in the finite element method (6th ed.). Cengage Learning, 2016. 992 p.
21. Stephens R. I., Fatemi A., Stephens R. R., Fuchs H. O. Metal fatigue in engineering (2nd ed.). John Wiley & Sons, 2001. 496 p.
22. Boresi A. P., Schmidt R. J. Advanced mechanics of materials (6th ed.). New York: John Wiley & Sons, 2002.
23. Ashby M. F. Materials selection in mechanical design (5th ed.). Butterworth-Heinemann, 2017. 660 p.
24. IEC 60812:2018. Failure modes and effects analysis (FMEA and FMECA). IEC, 2018. 165 p.
25. O’Connor P. D. T., Kleyner A. Practical reliability engineering (5th ed.). John Wiley & Sons, 2011. 512 p. https://doi.org/10.1002/9781119961260.
26. Bankar H., Shinde V., Baskar P. Material optimization and weight reduction of drive shaft using composite material. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2013. Vol. 10. Iss. 1. P. 39–46. https://doi.org/10.9790/1684-1013946.
27. Afolabi S. O., Oladapo B. I., Ijagbemi C. O., Adeoye A. O. M., Kayode J. F. Design and finite element analysis of a fatigue life prediction for safe and economical machine shaft. Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. Iss. 1. P. 105–111. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2017.10.007.
28. Khazaaleh S. Exploring the kresling origami for applications in energy absorption, impact mitigation, and energy harvesting: Doctoral dissertation. New York University Tandon School of Engineering, 2024.
29. Kazda L., Novotny C. Effective simplified analytical and FEM models for load-bearing capacity of unconventional metal-composite shaft joint. Journal of Composite Materials. 2026. Vol. 60. Iss. 4. P. 369–384. https://doi.org/10.1177/00219983251362312.

Надійшла до редакції 09.05.2026
Прийнята 20.05.2026
Опублікована 30.06.2026