نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت، تهران.

2 استادیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت، تهران.

3 دانشجوی دکتری، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت،تهران.

4 استاد، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت،تهران.

10.22068/jstc.2021.139489.1698

چکیده

در چند دهه گذشته، مواد کامپوزیتی به دلیل استحکام و سفتی ویژه بالا مورد توجه و علاقه محققین درباره سازه‌‌های سبک قرار گرفت. در این بین، سازه‌‌های مشبک و تقویت شده کامپوزیتی به عنوان یک ساختار بسیار کارآمد، به خصوص در تحمل بارهای فشاری محوری مطرح شدند. در این پژوهش، چند هدف اصلی دنبال شده است: (1) آنالیز استوانه‌‌ مشبک کامپوزیتی تحت بار محوری فشاری، (2) آنالیز استوانه‌‌ مشبک کامپوزیتی تحت بار ضربه عرضی سقوط آزاد و مطالعه آسیب ناشی از آن، (3) آنالیز اثر ضربه عرضی سقوط آزاد بر حداکثر استحکام سازه در بارگذاری محوری فشاری. برای نیل به اهداف فوق، از روش المان محدود و روش تجربی استفاده شده است. در روش المان محدود، از نرم‌‌افزار آباکوس برای تعیین حداکثر مقدار قابل تحمل بار محوری فشاری توسط سازه و همچنین پاسخ ضربه عرضی، جذب انرژی سازه و آسیب ناشی از ضربه استفاده شده است. در روش تجربی، ابتدا به ساخت دو نمونه استوانه‌‌ مشبک کامپوزیتی از جنس کولار/ اپوکسی پرداخته شده است. سپس این نمونه‌‌ها مورد بارگذاری ضربه عرضی و آزمون بار محوری فشاری (قبل و بعد از اعمال ضربه و بروز آسیب) قرار گرفته‌‌اند. در نهایت، نتایج این دو روش، شامل نیرو و زمان برخورد و ناحیه آسیب دیده، با یکدیگر مقایسه شده‌‌اند. نتایج نشان می‌‌دهند که علی‌‌رغم اینکه ضربه سقوط آزاد (با یک انرژی معلوم) به سازه آسیب می‌‌زند، ولی سبب افت قابل ملاحظه‌‌ای در حداکثر استحکام استوانه مشبک، در بارگذاری محوری فشاری نمی‌‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Buckling Strength Analysis of Composite Grid Stiffened Cylindrical Shells Before and After Applying Low-Velocity Transverse Impact

نویسندگان [English]

  • Ahmad Gerami 1
  • Ali Davar 2
  • Mohsen Heydari Beni 3
  • Jafar Eskandari Jam 4

1 Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technologies, Iran.

2 Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technologies, Iran.

3 Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technologies, Iran.

4 Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technologies, Iran.

چکیده [English]

Composite materials became a great interest of researchers on light weight structures during the last decades due to their high specific strength and high specific stiffness. Lattice and grid stiffened structures are one of these efficient composite structures especially for axial compressive loads. In this research, the following main objectives are followed: (1) The buckling strength analysis of the lattice cylinders subjected to axial compressive force, (2) The impact response and damage analysis of the lattice cylinders subjected to the transverse impact of a falling object, (3) The buckling strength analysis of the lattice cylinders subjected to axial compressive force after applying transverse impact to the structure. In order to achieve the above purposes, the finite element and the experimental methods are used. In the finite element method, ABAQUS software is used to find maximum axial strength of the structure and the impact results of the structure due to its energy absorption and damage properties. In the experimental method, first, two samples of the lattice composite cylinders are made of Kevlar/Epoxy material and then they are subjected to impact test and also buckling strength tests before and after applying transverse impact when damage occurs in the lattice structure. Finally, the results of these two methods, including impact force, impact time and damage area have been compared. Results show that the damage of the structure due to the impact test, do not causes the maximum buckling strength of the structure to be reduced significantly.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Buckling strength
  • composite mesh cylindrical shells
  • transverse impact. finite element method
  • experimental method
[1]  Totaro, G. and Gürdal, Z., “Optimal Design of Composite Lattice Shell Structures for Aerospace Applications,” Aerospace Science and Technology, 13(4-5), 157-164, 2009.
[2] Morozov, E., V., Lopatin, A., V. and Nesterov, V., A., “Finite-Element Modelling and Buckling   Analysis of Anisogrid Composite Lattice Cylindricalshells,” Composite Structures, 93(2), 308-323, 2011.
[3] Cantwell, W. and Morton, J., “Impact Perforation of Carbon Fibre Reinforced Plastic,” Composites science and technology, 38(2), 119-141, 1990.
[4] Davar, A., Azarafza R. and Bagheri, V., "Experimental and Numerical Analysis of Composite Lattice Truncated Conical Structures with and Without Carbon Nanotube Reinforcements Under axial Compressive Force," In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, 4(4), 418-425, 2018.
[5] Pernas-Sánchez, J., et al., “Numerical Analysis of High Velocity Impacts on Unidirectional Laminates,” Composite Structures, 107, 629-634, 2014.
[6] Hall, I. and Guden, M., “High Strain Rate Testing of a Unidirectionally Reinforced Graphite Epoxy Composite,” Periodical High strain rate testing of a unidirectionally reinforced graphite epoxy composite, 2001. 20, 897-899.
[7] Sankar, B., V. and Sun, C., “Low-velocity Impact Response of Laminated Beams Subjected to Initialstresses,” AIAA Journal, 23, 1962-1969, 1985.
[8]  Kim, C. G. and Jun, E. J., “Impact Resistance of Composite Laminated Sandwich Plates,” Journal of Composite Materials, 26(15), 2247-2261, 1992.
[9] Lee, L., et al., “Dynamic Responses of Composite Sandwich Plate Subjected to Low Velocity Impact,” Composites, 1991.
[10] Wu, E. and Shyu, K., “Response of Composite Laminates to Contact Loads and Relationship to Low-Velocity Impact,” Journal of composite materials, 27(15), 1443-1464, 1993
 [11] Zamani, M., Khalili, S. “The Effect of External Skin on Buckling Strength of Composite Lattice Cylinders Based on Numerical and Experimental Analysis”. Mechanics of Advanced Composite Structures‎, 3(2), 83-87, 2016.
[12] Moeinifard, M., Liaghat, G., Rahimi, G., Talezadehlari, A. and Hadavinia, H., "Experimental Investigation on the Energy Absorption and Contact Force of Unstiffened and Grid-Stiffened Composite Cylindrical Shells Under Lateral Compression," Composite Structures, 152, 626-636, 2016.
[13] David West, O. S., Nash, D. H. and Banks, M. W. “Low-Velocity Heavy Mass Impact Response of Singly Curved Composites,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 228(1), 17-33, 2014.
[14] Mohammadi, Y., Qasemi H. and Asadi, M., "On the Behavior of Carbon and Kevlar Fibers in Cylindrical Composites Subjected to Low-velocity Impact: Experimental Observation and Numerical Analysis," In Persian, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 51(5), 1025-1040, 2019.
[15] Azarafza, R., Golkar, A.H. and Davar, A., "Analytical Investigation of Low-Velocity Oblique Impact on Composite Cylindrical Shells," In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, 7(3), 1106-1119, 2020.
[16] Davar, A., Azarafza, R. and Faraji Shoaa, J., "Experimental and Numerical Analysis of Low-Velocity Impact on Composite Sandwich Panels with Grid Stiffened Core," In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, 6(4), 615-626, 2020.
[17] Tarfaoui, M., Gning, P. B. and Hamitouche, L., “Dynamic Response and Damage Modeling of Glass/Epoxy Tubular Structures: Numerical Investigation,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39(1), 1-12, 2008.
[18] Lopes, C., Camanho, P., Gürdal, Z., Maimí, P. and González, E., “Low-velocity Impact Damage on Dispersed Stacking Sequence Laminates. Part II: Numerical simulations,”Composites Science and Technology, 69, 937-947, 2009.