مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

پیش‌بینی بار بحرانی کمانش پوسته‌های استوانه‌ای کامپوزیتی تقویت‌شده‌ با شبکه های لوزی شکل بر اساس آنالیز ارتعاشات غیرخطی

نویسندگان
1 دانشگاه تربیت مدرس تهران
2 دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
پوسته‌های کامپوزیتی تقویت‌شده مشبک به دلیل خواص منحصربفردشان، یکی از سازه‌های پرکاربرد در صنایع هوایی، دریایی و خودروسازی می‌باشد. در دهه‌های اخیر تحقیقات بسیاری زیادی برای پیش‌بینی بار بحرانی کمانش پوسته‌های کامپوزیتی تقویت‌شده مشبک، بدون خرابی یا شکست انجام شده است. یکی از مهم‌ترین روش‌های غیرمخرب، روش همبستگی ارتعاشی یا وی‌سی‌تی می‌باشد که مبنای آن آنالیز ارتعاشات غیرخطی می‌باشد. هدف تحقیق حاضر پیش‌بینی بار بحرانی کمانش پوسته‌های استوانه‌ای کامپوزیتی تقویت‌شده با شبکه‌های لوزی شکل با استفاده از روش وی‌سی‌تی می‌باشد. برای این منظور در ابتدا تحلیل ارتعاشات خطی و غیرخطی پوسته‌ی استوانه-ای کامپوزیتی با استفاده از نرم‌افزار المان محدود آباکوس و در بارهای فشاری مختلف انجام شد. در مرحله‌ی بعد با استفاده از نتایج عددی، بار بحرانی کمانش خطی سازه مذکور محاسبه شد. سپس به کمک روش وی‌سی‌تی بار بحرانی کمانش غیرخطی پوسته‌ها‌ی استوانه‌ای کامپوزیتی تقویت‌شده مشبک پیش‌بینی گردید. در ادامه و برای صحت‌سنجی نتایج روش وی‌سی‌تی، پنج پوسته‌ی کامپوزیتی تقویت‌شده مشابه و با شرایط یکسان و با استفاده از روش پیچش الیاف ساخته شد و تحت آزمون فشار محوری قرار داده شد. در نهایت بار بحرانی کمانش تجربی به دست آمد. نتایج نشان می‌دهد که اختلاف بار بحرانی کمانش غیرخطی پیش‌بینی شده به روش وی‌سی‌تی با بار بحرانی کمانش به دست آمده از آزمایش تجربی کمتر از 3 درصد می‌باشد که این موضوع دال بر مناسب بودن روش وی‌سی‌تی برای پیش‌بینی بار بحرانی کمانش با دقت بسیار بالا برای پوسته‌های استوانه‌ای کامپوزیتی تقویت‌شده با شبکه‌های لوزی شکل می‌باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Prediction of the critical buckling load of stiffened composite cylindrical shells with lozenge grid based on the nonlinear vibration analysis

نویسندگان English

davoud shahgholian ghahfarokhi 1
G. H. Rahimi 2
1 Tarbiat Modares University
2 Tarbiat Modarres Univ
چکیده English

Due to unique properties, grid stiffened composite cylinder shells are used extensively in aviation, marine and automotive industry. In recent decades, several studies are done to predict the critical buckling load of grid stiffened composite cylinder shells without breakdown or failure. Vibration Correlation Technique (VCT) is one of the most important non-destructive methods that based on nonlinear vibration analysis. The aim of this research is the prediction of the critical buckling load of stiffened composite cylinder shells with lozenge grid by using VCT. For this purpose, linear and nonlinear vibration analysis of composite cylindrical shells were performed in different compressive loads by using finite element software ABAQUS, firstly. In the next step, linear buckling critical load was determined by using numerical methods. Then, non-linear critical buckling load of grid stiffened composite cylinder shells was predicted by using VCT. To validate the results of VCT, five composite cylindrical shells were fabricated by using filament winding method with same conditions and was placed under axial compression test. Finally, the critical buckling load was measured experimentally. The results show that the difference between the critical buckling load of VCT with experimental buckling load is less than 3%. This subject implies that VCT is suitable for prediction of critical buckling load of stiffened composite cylinder shells with lozenge grid with very high accuracy.

کلیدواژه‌ها English

Grid Stiffened Composite Cylinder Shells
Vibration Correlation Technique
Buckling
Fabrication
Numerical analysis
[1] N. Jaunky, N. F. Knight, D. R. Ambur, Formulation of an improved smeared stiffener theory for buckling analysis of grid-stiffened composite panels, Composites Part B: Engineering, Vol. 27, No. 5, pp. 519-526, 1996 .
[2] S. Kidane, G. Li, J. Helms, S. S. Pang, E. Woldesenbet, Buckling load analysis of grid stiffened composite cylinders, Composites Part B: Engineering, Vol. 34, No. 1, pp. 1-9, 2003 .
[3] M. Yazdani, G. Rahimi, The effects of helical ribs’ number and grid types on the buckling of thin-walled GFRP-stiffened shells under axial loading, Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 29, No. 17, pp. 2568-2575, 2010 .
[4] M. Yazdani, G. Rahimi, The behavior of GFRP-stiffened and-unstiffened shells under cyclic axial loading and unloading, Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 30, No. 5, pp. 440-445, 2011 .
[5] G. Rahimi, M. Zandi, S. Rasouli, Analysis of the effect of stiffener profile on buckling strength in composite isogrid stiffened shell under axial loading, Aerospace Science and Technology, Vol. 24, No. 1, pp. 198-203, 2013 .
[6] M. Hemmatnezhad, G. Rahimi, R. Ansari, On the free vibrations of grid-stiffened composite cylindrical shells, Acta Mechanica, Vol. 225, No. 2, pp. 609, 2014 .
[7] M. Hemmatnezhad, G. Rahimi, M. Tajik, F. Pellicano, Experimental, numerical and analytical investigation of free vibrational behavior of GFRP-stiffened composite cylindrical shells, Composite Structures, Vol. 120, No. 3, pp. 509-518, 2015.
[8] A. Talezadehlari, Gh. H. Rahimi, Buckling analysis of stiffened composite cylindericl shell based on the modified smear method, ModaresMechanical Engineering, Vol. 17, No. 7, pp. 245-256, 2017. (in Persian فارسی )
[9] A. Talezadehlari, Gh. H. Rahimi, The effect of geometrical imperfection on the axial buckling of unstiffened and stiffened composite cylinders with and without cutout, ModaresMechanical Engineering, Vol. 17, No. 7, pp. 245-256, 2017. (in Persian فارسی )
[10] J. Singer, J. Arbocz, T. Weller, Buckling Experiments, Second Edittion, pp. 200-500, John Wiley & Sons, 1998 .
[11] C. Hühne, R. Zimmermann, R. Rolfes, B. Geier, Sensitivities to geometrical and loading imperfections on buckling of composite cylindrical shells, Proceedings European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing, Braunschweig: CNES, pp. 1-12, 1998.
[12] M. W. Hilburger, M. P. Nemeth, J. H. Starnes, Shell buckling design criteria based on manufacturing imperfection signatures, American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, Vol. 44, No. 3, pp. 654, 2006.
[13] R. Degenhardt, A. Kling, A. Bethge, J. Orf, L. Kärger, R. Zimmermann, K. Rohwer, A. Calvi, Investigations on imperfection sensitivity and deduction of improved knock-down factors for unstiffened CFRP cylindrical shells, Composite Structures, Vol. 92, No. 8, pp. 1939-1946, 2010.
[14] H. Abramovich, D. Govich, A. Grunwald, Buckling prediction of panels using the vibration correlation technique, Progress in Aerospace Sciences, Vol. 78, No. 1, pp. 62-73, 2015.
[15] E. Jansen, H. Abramovich, R. Rolfes, The direct prediction of buckling loads of shells under axial compression using VCT-towards an upgraded approach, 29th congress on the International Council of the Aeronutical Science, St. Petersburg: Taylor & Francis, pp. 1-9, 2014.
[16] M. Souza, W. Fok, A. Walker, Review of experimental techniques for thin‐walled structures liable to buckling: neutral and unstable buckling, Experimental Techniques, Vol. 7, No. 9, pp. 21-25, 1983.
[17] M. Souza, L. Assaid, A new technique for the prediction of buckling loads from nondestructive vibration tests, Experimental Mechanics, Vol. 31, No. 2, pp. 93-97, 1991.
[18] M. A. Arbelo, S. F. de Almeida, M. V. Donadon, S. R. Rett, R. Degenhardt, S. G. Castro, K. Kalnins, O. Ozoliņš, Vibration correlation technique for the estimation of real boundary conditions and buckling load of unstiffened plates and cylindrical shells, Thin-Walled Structures, Vol. 79, No. 2, pp. 119-128, 2014 .
[19] M. A. Arbelo, K. Kalnins, O. Ozolins, E. Skukis, S. G. Castro, R. Degenhardt, Experimental and numerical estimation of buckling load on unstiffened cylindrical shells using a vibration correlation technique, Thin-Walled Structures, Vol. 94, No. 3, pp. 273-279, 2015.
[20] C. A. E. Abaqus, User’s manual, Abaqus Anal. user’s Man., 2016.
[21] American Society for Testing and Materials, ASTM D 2256 TensileProperties of Yarns by the Single-Strand Method. Vol. 1, pp.1-12, 2010.
[22] D. ASTM, 638-03: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, Current edition approved Apr, Vol. 1, pp.1-16, 2008 .
[23] R. F. Gibson, Principles of Composite Material Mechanics: Second Edittion, pp. 50-200, CRC press, 2016 .