نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 استاد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

پوسته‌های مشبک کامپوزیتی به دلیل خواص منحصربفردشان یکی از سازه‌های پرکاربرد در صنایع هوایی، دریایی و خودروسازی می‌باشد. هدف تحقیق حاضر، تحلیل تجربی و عددی ارتعاشات آزاد پوسته استوانه‌ای کامپوزیتی ساندویچی با هسته لوزی شکل می‌باشد. برای ساخت این پوسته‌ها، از قالب سیلیکونی، روش رشته‌پیچی و لایه چینی دستی استفاده شد. پوسته تقویت شده مشبک و پوسته ساده ساخته شده و سپس با چسباندن این دو بخش بهم، پوسته ساندویچی با شبکه لوزی شکل ایجاد ‌می‌شود. نمونه‌های ساخته شده تحت آزمایش آنالیز مودال قرار گرفته و فرکانس‌های طبیعی ارتعاشی استخراج شده است. از مقایسه‌ی نتایج تجربی و عددی به دست آمده از نرم افزار آباکوس، مشاهده شد که انطباق مناسبی بین آن‌ها وجود دارد. با استفاده از روش تاگوچی یک مطالعه پارامتری روی اثر تغییرات 6 پارامتر، شامل تعداد جفت ریب، ضخامت ریب، تعداد سلول واحد، ضخامت پوسته، چیدمان لایه ها و شرایط مرزی بر رفتار ارتعاشی پوسته ساندویچی با هسته لوزی شکل انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد، فرکانس طبیعی پوسته ساندویچی استوانه‌ای بیشترین حساسیت را نسبت به شرایط مرزی و ضخامت پوسته داشته و کمترین حساسیت را نسبت به ضخامت ریب و چیدمان لایه‌ها دارد. همچنین به جهت بررسی کارایی پوسته ساندویچی، فرکانس طبیعی پوسته ساندویچی با شبکه لوزی شکل با پوسته ساده معادل در شرایط مرزی مختلف مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهد فرکانس طبیعی پوسته ساندویچی با شبکه لوزی شکل در حالت شرط مرزی آزاد، 176% و در حالت شرط مرزی گیردار، 34% نسبت به پوسته ساده معادل بیشتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical free vibration analysis of composite sandwich cylindrical shells with lozenge cores

نویسندگان [English]

  • Davoud Shahgholian-Ghahfarokhi 1
  • Gholamhossein Rahimi 2
  • Ahmad Ghanadi 3

1 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

2 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

3 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Due to unique properties, lattice composite shells are used extensively in aviation, marine and automotive industry. The aim of this research is experimental and numerical free vibration analysis of composite sandwich cylindrical shells with lozenge cores. For the fabrication of this shells, silicone mold, filament winding, and hand lay-up method were used. Stiffened shells and simple shells are fabricated, separately. Then, composite sandwich cylindrical shells with lozenge cores were created by attaching the two parts together. The modal test is done on the shells and natural frequencies have been extracted. The comparison of experimental results and, numerical results obtained from Abaqus showed that there is a good agreement between them. By using Taguchi method, a parametric study was performed on the vibrational behavior of sandwich shells with lozenge cores via six parameters that such as stiffeners’ pair number, stiffener thickness, unit cell number, skin thickness, layers sequence and boundary condition. The results show that the natural frequency has a most sensitive to the boundary condition, skin thickness and least sensitive to stiffener thickness, layers sequence. To evaluate the efficiency of a sandwich shell, the natural frequency of sandwich shell are compared with simple shell in the different boundary condition. The results show that the natural frequency of sandwich shell with lozenge core is 176% and 34% higher than an equivalent simple shell at free and clamp boundary condition, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Free vibration
  • Sandwich shell
  • Lozenge core
  • Filament winding
  • Taguchi method

[1]  Mustafa, B. A. J. and   Ali, R., “An Energy Method for Free Vibration Analysis of Stiffened Circular Cylindrical Shells,” Composite Structure, Vol. 32, No. 2, pp. 355–363, 1989.

[2]  Zhao, X.  Liew, K. M. and Ng, T. Y., “Vibrations of Rotating Cross-Ply Laminated Circular Cylindrical Shells With Stringer And Ring Stiffeners,” International Journal of Solid Structure, Vol. 39, No. 2, pp. 529–545, 2002.

[3]  Lee, Y. S. and Kim, Y. W., “Vibration Analysis of Rotating Composite Cylindrical Shells With Orthogonal Stiffeners,” Composite Structure, Vol. 69, No. 2, pp. 271–281, 1998.

[4]  Lee, Y. S. and Kim, Y. W.,  “Effect of Boundary Conditions on Natural Frequencies For Rotating Composite Cylindrical Shells With Orthogonal Stiffeners,” Advances in Engineering Software Journal., Vol. 30, No. 9–11, pp. 649–655, 1999.

[5]  Kim, T. D., “Fabrication And Testing of Composite Isogrid Stiffened Cylinder,” Composite Structure, Vol. 45, No. 1, pp. 1–6, 1999.

[6]  Huybrechts, S. M. Meink, T. E. Wegner, P. M. and Ganley, J. M., “Manufacturing Theory for Advanced Grid Stiffened Structures,” Composites Part A:Applied Science and Manufacturing Journal, Vol. 33, No. 2, pp. 155–161, 2002.

[7]  Fan, H.  Fang, D.  Chen, L. Dai, Z. and Yang, W. “Manufacturing and Testing of a CFRC Sandwich Cylinder With Kagome Cores,” Composite Science and Technology., Vol. 69, No. 15–16, pp. 2695–2700, 2009.

[8]  Buragohain. M and Velmurugan, R., “Study of Filament Wound Grid-Stiffened Composite Cylindrical Structures,” Composite Structure, Vol. 93, No. 2, pp. 1031–1038, 2011.

[9]  Rahmani, O. Khalili, S. M. R. and Malekzadeh, K., “Free Vibration Response of Composite Sandwich Cylindrical Shell With Flexible Core,” Composite Structure, Vol. 92, No. 5, pp. 1269–1281, 2010.

[10]         Kumar, A. Chakrabarti, A. and Bhargava, P., “Vibration of Laminated Composites and Sandwich Shells Based on Higher Order Zigzag Theory,” Engineering Strucure Journal., Vol. 56, pp. 880–888, 2013.

[11]         Chen, L. Fan, H. Sun, F. Zhao, L. and Fang, D., “Improved Manufacturing Method and Mechanical Performances of Carbon Fiber Reinforced Lattice-Core Sandwich Cylinder,” Thin-Walled Structer, Vol. 68, No. 1, pp. 75–84, 2013.

[12]         Zhang, H. Sun, F. Fan, H. Chen, H. Chen, L. and Fang, D., “Free Vibration Behaviors of Carbon Fiber Reinforced Lattice-Core Sandwich Cylinder,” Composite Science and Technology, Vol. 100, No.1, pp. 26–33, 2014.

[13]         Xiong, J. Ghosh, R. Ma, L. Vaziri, A. Wang, Y. and Wu, L., “Sandwich-Walled Cylindrical Shells With Lightweight Metallic Lattice Truss Cores and Carbon Fiber-Reinforced Composite Face Sheets,”Composites Part A:Applied Science and Manufacturing Journal , Vol. 56, pp. 226–238, 2014.

[14]         Li, W. Sun, F. Wang, P. Fan, H. and Fang, D., “A Novel Carbon Fiber Reinforced Lattice Truss Sandwich Cylinder : Fabrication and Experiments,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Journal, Vol. 81, pp. 313–322, 2016.

[15]        Jiang, S. Sun, F. Fan, H. and Fang, D., “Fabrication and Testing of Composite Orthogrid Sandwich Cylinder,” Composite Science and Technology, Vol 1, No. 1, pp. 1-10, 2017.

[16]         Ewins, D., “Modal Testing: Theory, Practice, and Application”. Research Studies Press, 2000.

[17]         He, J. and Fu, Z. F., “Modal Analysis, Butterworth-Heinemann.” Oxford, 2001.

[18]         Peres, M. A. and Bono, R. W. “Modal Testing and Shaker Excitation: Setup Considerations and Guidelines,” SAE Technical Paper, 2011.

[19]         Ross, P. J. P. J., Taguchi techniques for quality engineering: loss function, orthogonal experiments, parameter and tolerance design. 1996.

[20]         Choi, J.  Ko, G. and Kang, K.,  “Taguchi Method-Based Sensitivity Study of Design Parameters Representing Specific Strength of Wire-Woven Bulk Kagome Under Compression,” Composite Structure., Vol. 92, No. 10, pp. 2547–2553, 2010.

[21]         Kolanu, N. R. Prakash, S. S. and Ramji, M., “Experimental Study on Compressive Behavior of {GFRP} Stiffened Panels Using Digital Image Correlation,” Ocean Engineering, Vol. 114, No. 1, pp. 290–302, 2016.

[22]         Montgomery, D. C., “Design and analysis of experiments”. John Wiley & Sons, 2008.

[23]         Nikravan, A. R. and Kolahan, F., “Ti-6Al-4V Statistical    Analysis And Optimization of Process Parameters for Cutting Rate and Surface Roughness in Wire Cut Machining Of Ti-6Al-4V Alloy,” Engineering Journal, Vol. 15, No. 9, pp. 141–152, 2015.