Нестационарный отклик конической композитной оболочки, усиленной углеродными нанотрубками

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.02.021
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Выпуск Том 23, № 2, 2020 (июнь)
Страницы 21–32

 

Авторы

К. В. Аврамов, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: kvavramov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8740-693X

Б. В. Успенский, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: Uspensky.kubes@gmail.com, ORCID: 0000-0001-6360-7430

Н. Г. Сахно, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: natali.sahno@gmail.com, ORCID: 0000-0003-4179-5316

И. В. Библик, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: i.v.biblik@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8650-1134

 

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.

 

Ключевые слова: коническая оболочка, импульсная нагрузка, нестационарный процесс, нанокомпозитный материал.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  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.

 

Поступила в редакцию 30 апреля 2020 г.

Принята в печать