علوم و فناوری کامپوزیت

علوم و فناوری کامپوزیت

اثر نیروی محوری و فشار داخلی بر پاسخ دینامیکی پوسته استوانه ای کامپوزیتی چند لایه تحت ایمپالس جانبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
رضا آذرافزا
,علی داور
دانشیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناور یهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران.
10.22068/jstc.2025.2050693.1911
چکیده
در این مقاله ارتعاشات آزاد و اجباری پوسته های استوانه ای کامپوزیتی چند لایه تحت اثر بار محوری و فشار داخلی بررسی شده است. معادلات تعادل بر اساس تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول پوسته ها نوشته شده اند. روابط کرنش- تغییرمکان و انحناء- تغییرمکان بر مبنای تقریب اول لاو نوشته شده و با جایگزینی آنها در روابط تنش-کرنش، معادلات تعادل بر حسب مولفه های تغییرمکان بدست آمده اند. شرایط مرزی به صورت یکسر گیردار – یکسر آزاد می باشد. مولفه های تغییرمکان، حاصلضرب تابع مکانی در تابع زمانی می باشند. مولفه های تابع مکانی بصورت سریهای فوریه دوگانه در نظر گرفته شده اند. ابتدا تحلیل بارکمانشی و ارتعاشات آزاد پوسته استوانه ای کامپوزیتی انجام شده و بار کمانشی و فرکانس های طبیعی استخراج شده اند. در حل ارتعاش اجباری، بارایمپالس سینوسی در جهت شعاعی بر سطح مربعی اعمال شده است. تابع زمانی پاسخ با استفاده نتایج ارتعاش آزاد و انتگرال کانولوشن بدست آمده است. در نهایت اثر بار محوری، فشار داخلی و پارامترهای هندسی بر بار کمانشی، روی فرکانس های طبیعی و پاسخ بررسی شده اند. نتایج نشان می دهد با افزایش بار محوری فشاری و افزایش نسبت طول به شعاع فرکانسهای طبیعی کاهش یافته و هنگامیکه بار محوری فشاری وارد بر پوسته برابر بار بحرانی کمانش باشد، فرکانس طبیعی پایه برابر صفر خواهد شد. همچنین با افزایش فشار داخلی بار بحرانی کمانش و فرکانس طبیعی پایه افزایش می یابند.
کلیدواژه‌ها
ارتعاشات آزاد
ارتعاشات اجباری
بار محوری
فشار داخلی
شرایط مرزی

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of axial load and internal pressure on the dynamic response of multi-layered composite cylindrical shell under lateral impulse Load

نویسندگان English

Reza Azarafza
Ali Davar
Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

In this paper, the free and forced vibrations of multi-layered composite cylindrical shells under axial load and internal pressure investigated. The equilibrium equations are written based on first-order shear deformation theory of shells. Strain-displacement and curvature-displacement relationships are written based on the first law approximation and by replacing them in the stress-strain relationships, equilibrium equations are obtained in terms of displacement components. Boundary conditions are fixed-free. Displacement components are the product of function of position and time. The function of position components of displacement was considered in the form of double Fourier series. First, the analysis of buckling load and free vibrations of the composite cylindrical shell was performed and the buckling load, natural frequencies were extracted. In forced vibration analysis, the sinusoidal impulse load is applied in the radial direction on a rectangular area. The response function of time is obtained using the results of free vibration and integral convolution. Finally, the effect of axial load, internal pressure and geometrical parameters on the natural frequencies and dynamic response of shell have been investigated. The results show that with the increase of the compressive axial load and the increase of the ratio of length to radius, the natural frequencies decrease and when the compressive axial load on the shell is equal to the critical buckling load, the basic natural frequency will be zero. Also, with the increase of the internal pressure, the critical buckling load and the fundamental natural frequency increase.

کلیدواژه‌ها English

Free Vibration
Forced Vibration
Axial Load
Internal Pressure
Boundary Condition
[1] Jafari, A. A., Khalili, S. M. R., Azarafza, R., “Transient dynamic response of composite circular cylindrical shells under radial impulse load and axial compressive loads,” Thin-Walled Structures, Vol. 43, pp. 1763-1786, 2005.
[2] Khalili, S. M. R., Azarafza, R., Davar, A., “Transient dynamic response of initially stressed composite circular cylindrical shells under radial impulse load,” Composite Structures, Vol. 89, pp. 275-284, 2009.
[3] Lam, K.Y., Loy, C.T., "Influence of boundary conditions and fiber orientation on the natural frequencies of thin orthotropic laminated cylindrical shells", Composite Structures, Vol. 31, pp. 21-30, 1995.
[4] Azarafza, R., Khalili, S. M. R., Jafari, A. A., Davar, A., “Analysis and optimization of laminated composite circular cylindrical shells subjected axial transverse transient dynamic loads,” Thin-Walled Structures, Vol. 47, pp. 970-983, 2009.
[5] Paknejad, R., Ashena Ghasemi, F., Malekzadeh Fard, K., “Dynamic Response of Composite Cylindrical Shell Containing Fluid Subjected to LowVelocity Impact,” In Persian, Journal of Mechanical Engineering of Tabriz University, Vol. 53, No. 1, pp. 51-60, 2023.
[6] Ansaryan, Y., Jafari, A. A., “Investigation of Free and Forced Vibration of a Composite Circular Cylindrical Shell with Internal Fluid,” In Persian, Journal of Solid and Fluid Mechanics, Vol. 7, No. 2, pp. 93-109, 2017.
[7] Amirashjaee-Asalemi, K., Fakhreddini-Najafabadi, S., Taheri-Behrooz, F., “Numerical and Experimental Study of Carbon / Epoxy Composite Laminate Response to Low Velocity Impact,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 8, No. 1, pp. 1461-1472, 2021.
[8] Kian, F., Hekmatifar, M., Toghraie, D., “Analysis of forced and free vibrations of composite porous core sandwich cylindrical shells and FG‑CNTs reinforced face sheets resting on visco‑Pasternak foundation under uniform thermal field,”  Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 42, pp. 1-15, 2020.
[9] Poultangari, R., Nikkhah-Bahramin, M., “ Free and Forced Vibration Analysis of Stepped Circular Cylindrical Shells with Several Intermediate Supports Using an Extended Wave Method; a Generalized Approach “Latin American Journal of Solids and Structures, Vol. 13, pp. 2027-2058, 2016.
[10] AzarAfza, R., MalekzadehFard, K., Golaghapour Kami, M., Pourmoayed, A. R., “Dynamic analysis of cylindrical sandwich shell with orthogonal stiffeners using high-order theory,” In Persian,  AmirKabir J. Mech. Eng., Vol. 53, No, 4, pp. 2473-2492, 2021.
[11] Elena, A. K., Gennadi, I. M., “Free vibrations of a laminated cylindrical shell subjected to nonuniformly distributed axial forces,” Mechanics of Solids, Vol. 41, No. 5, pp. 130-138, 2006.
[12] Davar, A.,  Khalili, S. M. R., Hadavinia, H., “Free Vibrations of Functionally Graded Circular Cylindrical Shells under Internal Pressure,” International Journal Advanced Design and Manufacturing Technology, Vol. 6, No. 4, pp. 49-58, 2013
[13] Wu, J. h., Liu, R. J., Duan, Y., Sun, Y. D., “ Free and forced vibration of fluid-filled laminated cylindrical shell under hydrostatic pressure,” International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 202, 2023.
[14] Prado, Z. D., Goncalves, P. B., Paidoussis, M. P., “ Non linear vibration and instabilities of orthotropic cylindrical shell with internal flowing fluid,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 52, pp. 1437-1457, 2010.
[15] Azarafza, R. Golkar, A. R., Davar, A , “Analytical investigation of Low-Velocity Oblique Impact on Composite Cylindrical Shells”, In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 7, No. 3, pp. 1106-1119, 2020.
[16] Azarafza, R., Aslanzadeh GoliBeiglo, S., Davar, A., “Analysis of free vibration of laminated composite cylindrical shells with rectangular cutout,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 10, No. 2, pp. 2209 -2196 , 2023. 
[17] Azarafza, R., “Weight and Dynamic Optimization of Laminated Composite Cylindrical Shells,” Ph.D. Thesis, In Persian, Khajeh Nasir Toosi University of Technology, September 2005.
[18] Lee, Y. S., Lee, K. D., "On the dynamic response of laminated circular cylindrical shells under impulse loads", Computers & structures, Vol. 63, No. 1, pp. 149-157, 1997.
 
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 11، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 2611-2625