نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دان شآموخت ه کارشناسی ارشد ، مهندسی مکانیک ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر ، تهران.

2 استادیار ، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوریه ای ساخت ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر ، تهران.

3 دانشجوی دکتری ، مهندسی مکانیک ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر ، تهران.

4 استاد ، مجتمع دانشگاهی مواد و فناور یهای ساخت ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر ، تهران.

10.22068/jstc.2021.531397.1729

چکیده

هدف از این پژوهش، دستیابی به حداکثر بار قابل‌تحمل در بارگذاری محوری فشاری برای یک سازه‌ی استوانه‌ای مشبک کامپوزیتی با هندسه مشخص به روش تجربی- آماری است. پس از مطالعه‌ی پژوهش‌های صورت گرفته در زمینه‌ی فاکتورهای ساخت سازه‌های تولید شده با فرایند رشته پیچی و همچنین امکانات موجود، اثر چهار فاکتور کشش الیاف، سرعت پیچش، شرایط پخت و نوع الیاف بر کیفیت ساخت و استحکام استوانه‌های مشبک کامپوزیتی بررسی شد. برای این منظور، با استفاده از روش طراحی آزمایش‌های تاگوچی، اثر فاکتورهای ساخت مذکور در سه سطح و بدون در نظر گرفتن اثرات متقابل آن‌ها بر متغیر پاسخ، مورد بررسی قرار گرفته‌ است. بر اساس روش تاگوچی، 9 نمونه ساخته و تحت آزمون قرار داده شده‌اند و نتایج حاصل از آزمون‌ها، با استفاده از تحلیل واریانس مورد بررسی قرار گرفته‌اند تا میزان تأثیرگذاری فاکتورهای ساخت بر متغیرهای پاسخ، مشخص شود. دو متغیر پاسخ شامل حداکثر بار تحمل شده‌ی ویژه و کارایی فشاری در نظر گرفته شده‌اند. فاکتورهای نوع الیاف با 88.33% و کشش الیاف 9.67% به ترتیب بیشترین تأثیر را بر روی متغیر پاسخ حداکثر بار تحمل شده‌ی ویژه داشته‌اند و اثر دو فاکتور سرعت پیچش با 0.70% و شرایط پخت با 0.29% قابل صرف‌نظر بوده است. فاکتورهای نوع الیاف با 54.20%، کشش الیاف با 23.54% و سرعت پیچش با 14.86%، به ترتیب تأثیرگذارترین عوامل بر روی متغیر پاسخ کارایی فشاری بوده‌اند و اثر فاکتور شرایط پخت با 1.85% قابل صرف‌نظر بوده است. بهینه‌سازی شرایط ساخت، بر اساس متغیر کارایی فشاری صورت گرفته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Statistical-experimental analysis of the effect of fabrication parameters on the strength of composite grid-stiffened cylinders under compressive axial load

نویسندگان [English]

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

1 Faculty of Mechanical Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Tehran.

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

3 Faculty of Mechanical Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Tehran.

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

چکیده [English]

The aim of this research is to attain the maximum carried-load under compressive axial loading for a composite lattice cylindrical structure with a specified geometry by an experimental–statistical method. For this purpose, after studying the researches in the field of fabrication factors of structures manufactured by filament winding process and also available facilities, the influence of four fabrication factors including fiber (roving) tension, winding speed, cure cycle and fiber type on the product quality and strength of the composite lattice cylinders is investigated. For this purpose design of experiment (DOE) with Taguchi method is applied to investigate the effect of fabrication factors on the the response variables in three levels without considering their interactions. According to Taguchi method nine structures are manufactured and tested and the results of the test are analyzed using analysis of variance to determine the influence of the fabrication factors on the response variables. Two response variables including specific maximum carried-load and compressive efficiency have been considered. Fiber type with 88.33 % and fiber tension with 9.67 % have greater influence, respectively, on the specific maximum carried-load while the effect of winding speed with 0.7 % and cure cycle with 0.29 % are negligible. Fiber type with 54.20 %, fiber tension with 23.54 % and winding speed with 14.86 % have greater influence, respectively, on the compressive efficiency while the effect of cure cycle with 1.85 % is negligilble. Manufacturing parameters are optimized according to the compressive efficiency response variable. In order to verify the resu

کلیدواژه‌ها [English]

  • Statistical-experimental analysis
  • composite grid -stiffened cylinder
  • compressive axial load
  • fabrication parameters
[1] Hoa, S. V., “Principles of making composite materials,” DEStech Publications, Inc, 2009.
[2] Totaro, G. and De Nicola, F., “Recent advance on design and manufacturing of composite anisogrid structures for space launchers,” Acta Astronautica, Vol. 81, pp. 570-577, 2017.
[3] Mazumdar, S. K. and Hoa, S. V., “Application of Taguchi method for process enhancement of on-line consolidation technique,” Composites, Vol. 26, No. 9, pp. 673-669, 1995.
[4] Cohen, D., “Influence of filament winding parameters on composite vessel quality and strength,” Composite Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 28, No. 12, pp. 1035-1047, 1997.
[5] Lossie, M., Vandepitte, D. and Olofsson, K., “Experimental design approach to off-line quality control in filament winding,” Proceedings of the international convention for filament winding technology, 1998.
[6] Khalili, S. M. R. and Jahanmehr, F., “Experimental analysis of the effect of winding process parameters on physical properties and mechanical behavior of all-composite tanks,” In Persian, 15th Annual (International) Conference on Mechanical Engineering, Iran, 2007.
[7] Dobrzanski, L. A., Domagala, J. and Silva, J. F., “Application of Taguchi method in the optimization of filament winding of thermoplastic composites,” Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 28, No. 3, pp. 133-140, 2007.
[8] Gunasegaran, V., Prashanth, R. and Narayanan, M., “Experimental  investigation and finite element analysis of filament wound GRP pipes for underground applications,” Procedia Engineering, Vol. 64, pp. 1293-1301, 2013.
[9] Kopecki, T., Mazurek, P. and Lis, T., “Experimental and Numerical Analysis of a Composite Thin-Walled Cylindrical Structures with Different Variants of Stiffeners,” Subjected to Torsion. Materials, 12(19), p.3230, 2019.
[10] Gerami, A., Davar, A., Heidari Bani, M., Eskandari Jam, J., “Numerical and experimental analysis of the buckling strength of a composite cylindrical lattice structure before and after low speed transverse impact,” Composite Science and Technology, 8 (1): pp. 1363-1372, 2021.(in persian)
[11] Vasiliev, V. V., Barynin, V. A. and Rasin, A. F., “Anisogrid composite lattice structures–development and aerospace applications,” Composite Structures, Vol. 94, pp. 1117-1127, 2012.
[12] Vasiliev, V. V. and Morozov, E. V., “Advanced mechanics of composite materials,” Second ed., Elsevier, UK, 2007.
[13] Beheshti, M. H. and Rezadoust, A. M., “Reinforced plastics (composites),” In Persian, Iran Polymer and Petrochemical Research Institute, 2005.
[14] Strong, E. B., “Basics of making composites (materials, methods and applications),” F. Divasalar and P. Abachi Trans., University Publishing Center, In Persian 2001.
[15] Henninger, F., Hoffmann, J. and Friedrich, K., “Thermoplastic filament winding with online-impregnation. Part B. Experimental study of processing parameters,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 33, No. 12, pp. 1677-1688, 2002.
 [16] Zeinali, A., “Taguchi experiment design using Qualitek software,” Petrochemical Research and Technology Company, Tehran, 2008.