مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تجربی اثر نانولوله‌های کربنی بر بار بحرانی کمانش ستونهای آلومینیومی تقویت شده با کمربند کامپوزیتی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشگاه صنعتی شاهرود
چکیده
در این پژوهش اثر افزودن درصدهای مختلف نانولوله کربنی درون رزین اپوکسی بر بار بحرانی کمانش ستون­های آلومینیمی تقویت شده با کمربند کامپوزیتی الیاف شیشه/ اپوکسی به روش تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. ستونها دارای مقطع دایره‌ای توپر بوده و بار فشاری به صورت محوری به نمونه‌ها اعمال شده است. به منظور دستیابی به بار بحرانی، مقادیر ۰/۲۵، ۰/۵ و ۱ درصد وزنی نانولوله کربنی درون رزین اپوکسی همگن‌سازی شد. تقویت‌کننده‌های کامپوزیتی به صورت سه لایه، و زاویه الیاف در تمامی لایه‌ها هم‌جهت با راستای محور ستون در نظر گرفته شد. نمونه‌ها در شرایط دوسر گیردار به یک دستگاه یونیورسال هیدرولیک اینسترون بسته شد و نمودارهای نیروی فشاری بر حسب جابجایی در راستای محوری برای هر نمونه ترسیم گردید. از هرجنس کمربند کامپوزیتی تعداد سه نمونه مورد آزمایش قرار گرفت و میانگین نتایج برای بار بحرانی کمانش تعیین گردید. نتایج حاکی از آن است که افزودن ۱ درصد وزنی نانولوله کربنی به رزین اپوکسی در کمربند کامپوزیتی می­تواند بار بحرانی کمانش ستون را در حدود ۴۵ درصد نسبت به نمونه دارای کمربند کامپوزیتی فاقد نانولوله کربنی افزایش دهد. این افزایش را می‌توان ناشی از پراکندگی مناسب نانولوله‌های کربنی درون ماده و زمینه و ایجاد چسبندگی مناسب بین کمربند نانوکامپوزیتی و ستون آلومینیومی دانست. همچنین به منظور راستی آزمایی نتایج آزمایش، نمونه ستون آلومینیمی با کمربند کامپوزیتی الیاف شیشه/ اپوکسی در نرم افزار آباکوس مدلسازی شد و کمانش استاتیکی آن شبیه‌سازی گردید. نتایج شبیه‌سازی، تطابق خوبی را در تخمین بار بحرانی کمانش با نتایج تجربی نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Effect of carbon nanotubes on the critical buckling load of composite reinforced aluminium columns: An experimental approach

نویسندگان English

Mohammad Raeisi
Alireza Shaterzadeh
Seyyed Mahdi Hosseini Farrash
Shahrood University of Technology
چکیده English

An experimental study on the critical buckling load of aluminum columns reinforced with glass/epoxy composite belts containing carbon nanotubes (CNTs) are presented in this paper. The columns with solid circular cross section are subjected to axially pressure load. Aluminum column specimens reinforced with glass/epoxy and CNT/glass/epoxy are fabricated. CNTs with 0.25, 0.5 and 1 weight percent (wt.%) are dispersed into the epoxy resin. Three layers composite belts are wrapped around the column. Glass fibers are placed along the column axes in each layer. The columns are tested under fix ended boundary conditions utilizing Instron hydraulic universal testing machine. Pressure load with respect to the end shortening are plotted for each specimen. To achieve the average value of critical buckling load, four specimen is examined for each composite belt material. Results show that when 0.5%CNT/glass/epoxy composite belt is used to reinforce the column, the critical buckling load of the column increases by 45% with respect to the column with glass/epoxy composite belt. The proper dispersion of CNTs into the matrix material along with appropriate adhesion between the nanocomposite belt and the aluminum column lead to the increase of buckling load. Furthermore, to validate the results, buckling analysis of aluminum column reinforced with glass/epoxy composite belt was done in Abaqus finite element software. Finite element simulation confirms the experimental results obtained.

کلیدواژه‌ها English

Buckling
Aluminum column
Composite belt
Carbon nanotube
[1] Herakovich, C.T., Mechanics of fibrous composites. 1998.
[2] Ashby MF. Technology of the 1990s: advanced materials and predictive design. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 1987;322:393-407.
[3] Dhand V, Mittal G, Rhee KY, Park SJ, Hui D. A short review on basalt fiber reinforced polymer composites. Composites Part B: Engineering. 2015;73:166-80.
[4] Wanhill RJH. GLARE: A Versatile Fibre Metal Laminate (FML) Concept. Aerospace materials and material technologies. 2017;291-307.
[5] Coleman JN, Khan U, Blau WJ, Gun’ko YK. Small but strong: a review of the mechanical properties of carbon nanotube–polymer composites. Carbon. 2006;44(9):1624-52.
[6] Chun M, Niu Y. Airframe Structural Design. Lockheed Aeronautical Systems Company Burbank. California. 1988.
[7] Daniel IM, Ishai O, Daniel IM, Daniel I. Engineering mechanics of composite materials. New York: Oxford university press. 1994.
[8] Nie C, Wang H, He J. Evaluation of the effect of adding carbon nanotubes on the effective mechanical properties of ceramic particulate aluminum matrix composites. Mechanics of Materials. 2020;142:103276.
[9] Wang J, Cheng L, Yang J. Compressive behavior of CFRP-steel composite tubed steel-reinforced columns with high-strength concrete. Journal of Constructional Steel Research. 2018;150:354-70.
[10] Bozkurt ÖY, Bulut M, Erkliğ A, Faydh WA. Axial and lateral buckling analysis of fiber reinforced S-glass/epoxy composites containing nano-clayparticles. Composites Part B: Engineering. 2019;158:82-91.
[11] Feng P, Hu L. Steel columns strengthened/reinforced by prestressed CFRP strips: concepts and behaviors under axial compressive loads. Composite Structures. 2019;217:150-64.
[12] Sezgin H, Mishra R, Militky J, Berk Berkalp O. Mechanical, thermo-mechanical and thermal characteristics of multi-walled carbon nanotubes-added textile-reinforced composites. Journal of Industrial Textiles. 2020;50(5):692-715.
[13] Sharma K, Shukla M. Three-phase carbon fiber amine functionalized carbon nanotubes epoxy composite: processing, characterisation, and multiscale modeling. Journal of Nanomaterials. 2014;2014.
[14] El-Sayed KM, Debaiky AS, Khalil NN, El-Shenawy IM. Improving buckling resistance of hollow structural steel columns strengthened with polymer-mortar. Thin-Walled Structures. 2019;137:515-26.
[15] Wang Y, Feng C, Santiuste C, Zhao Z, Yang J. Buckling and postbuckling of dielectric composite beam reinforced with Graphene Platelets (GPLs). Aerospace Science and Technology. 2019;91:208-18.
[16] Haghani R, Al-Emrani M. A new design model for adhesive joints used to bond FRP laminates to steel beams–Part A: Background and theory. Construction and Building Materials. 2012;34:486-93.
[17] Haghani R, Al-Emrani M. A new design model for adhesive joints used to bond FRP laminates to steel beams: Part B: Experimental verification. Construction and Building Materials. 2012;30:686-94.
[18] He Y, Wu D, Zhou M, Liu H, Zhang L, Chen Q, Yao B, Yao D, Jiang D, Liu C, Guo Z. Effect of MoO3/carbon nanotubes on friction and wear performance of glass fabric-reinforced epoxy composites under dry sliding. Applied Surface Science. 2020 ;506:144946.
[19] Farrash SM, Shariati M, Rezaeepazhand J. The effect of carbon nanotube dispersion on the dynamic characteristics of unidirectional hybrid composites: An experimental approach. Composites Part B: Engineering. 2017;122:1-8.
[20] Farrash SM, Shariati M, Rezaeepazhand J. Experimantal study on the effect of amine functionalized carbon nanotubes on the thermomechanical properties of CNT/Epoxy nanocomposites, Mechanics of Advanced Composite Structures, 2018; 5(1): 41-48.
[21] Farrash SM, Shariati M, Rezaeepazhand J. Dynamic characteristics of functionalized carbon nanotube reinforced epoxy composites: An experimental approach, Journal of Solid Mechanics, 2020; 12(2): 358-365.
[22] Sabermanesh HR , Ghannad M , Hosseini Farrash SM, Effect of adding carbon nanotubes into the matrix material on the buckling behavior of glass/epoxy composite plates: An experimental study, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 2020. [Accepted, in Persian]
[23] Hyer MW, Herakovich CT, Milkovich SM, Short Jr JS. Temperature dependence of mechanical and thermal expansion properties of T300/5208 graphite/epoxy. Composites. 1983;14(3):276-80.
[24] Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM D3039/D 3039M-00. 2000.