Моделювання термопружних властивостей композитного матеріалу в задачах стійкості багатошарових оболонок

Заголовок (англійською): 
Modeling of thermo-elastic properties of composite material in stability problems of multilayered shells
Автор(и): 
Кривенко О. П.
Лізунов П. П.
Ворона Ю. В.
Калашніков О. Б.
Автор(и) (англ): 
Krivenko O. P.
Lizunov P.
Vorona Yu.
Kalashnikov O.
Ключові слова (укр): 
тонка пружна оболонка; неоднорідна структура; просторовий багатошаровий скінченний елемент; односпрямований композитний матеріал; мікромеханічні параметри
Ключові слова (англ): 
: thin elastic shell; inhomogeneous structure; 3D multilayer finite element; unidirectional composite material; micromechanical parameters
Анотація (укр): 
Тонкостінні конструкції, елементами яких є пластини й оболонки з композитних матеріалів, все ширше застосовуються в різних галузях техніки. Зростаючі потреби практики та впровадження нових композитних матеріалів вимагають подальшого удосконалення методів розрахунку оболонкових конструкцій неоднорідної структури. Тому актуальною є проблема розробки адекватного методу аналізу поведінки оболонок, що виготовлені з композитних матеріалів багатошарової структури. Робота присвячена поширенню розробленого скінченно-елементного методу дослідження геометрично нелінійного деформування та стійкості пружних оболонок на задачі дослідження оболонок, матеріали шарів яких є композитами волокнистої структури. Для моделювання термопружних властивостей неоднорідного матеріалу оболонки застосовується метод структурування неоднорідностей матеріалу за товщиною і в плані оболонки за допомогою універсального просторового скінченного елемента. Визначення ефективних характеристик композитного матеріалу реалізується за структурними мікромеханічними параметрами його компонентів на основі відомих методик прогнозування пружних сталих для даної моделі композитного матеріалу. Багатошаровий скінченний елемент, створений в рамках розробленого підходу, призначений для дослідження тонких пружних оболонок як з традиційних, так і з композитних матеріалів. Наведено результати досліджень багатошарової композитної панелі з використанням різних мікромеханічних методик. Достовірність отриманих розв’язків обґрунтована шляхом порівняння з результатами, що одержані за допомогою програмного комплексу NASTRAN. Нова модифікація скінченного елемента, що розроблена, дає можливість достовірно, з прийнятною для інженерних розрахунків точністю, досліджувати напружено-деформований стан і стійкість багатошарових оболонок із волокнистих композитних матеріалів.
Анотація (англ): 
Thin-walled structures, the elements of which are plates and shells made of composite materials, are increasingly used in various industries. The growing needs of practice and the introduction of new composite materials require further improvement of the calculation methods of shell structures of inhomogeneous structure. Therefore, the problem of developing an adequate method of analyzing the behavior of shells made of composite materials with a multilayer structure is relevant. The work is devoted to the application of the developed method of finite elements for the analysis of geometrically nonlinear deformation and stability of elastic shells to the problem of the study of shells, the layer materials of which are composites of a fibrous structure. The method of structuring materials through the shell thickness and plan by using a universal 3D finite element is applied to model the thermoelastic properties of a ingomogeneous material. Determination of the effective characteristics of the composite material is realized by the structural micromechanical parameters of its components based on known methods of predicting elastic constants for this model of the composite material. The multilayer finite element, created within the framework of the developed approach, can be exploited to the problems of calculating thin elastic shells from both traditional and composite materials. The results of investigation of a multilayer composite panel using various micromechanical techniques are presented. The results of the study of a multilayer composite panel obtained by various micromechanical methods are given. These results are consistent with those obtained using the NASTRAN software. The new modification of the developed finite element makes it possible to analyze the stress-strain state and stability of multi-layer shells made of fibrous composite materials reliably, with accuracy acceptable for engineering calculations.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Управління розвитком складних систем, номер 54, 2023
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Management of Development of Complex Systems, number 54, 2023
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
77-89.pdf
Дата публікації: 
06 Октябрь 2023
Номер збірника: 
54
Розділ: 
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОЄКТУВАННЯ
Університет автора: 
Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ
Литература: 
  1. Бондарь В. Г., Бычков С. А., Король В. Н. Решение проблемы создания авиаконструкций из полимерных композиционных материалов на АНТК "Антонов". Авиационно-космическая техника и технология: научно-техн. журнал. Харьков: ХАИ, 2003. Вип. 8 (43). С. 5–13.
  2. Добриденко О. М., Скляр О. І., Турчин В. М., Бєлінська Р. Б. Аналіз існуючих композитних матеріалів та оцінка їх застосування у конструкціях планерів літальних апаратів військової авіації України: зб. наук. праць Державного науково-дослідного інституту авіації, 2012. Вип. № 15. С. 147–152.
  3. Ванин Г. А., Семенюк Н. П., Емельянов Р. Ф. Устойчивость оболочек из армированных материалов. Киев: Наук. думка, 1978. 212 с.
  4. Юскаєв В. Б. Композиційні матеріали: навчальний посібник. Суми: Вид-во СумДУ. 2006. 199 с.
  5. Кучер М. К., Заразовський М. М. Оцінка мікромеханічних моделей прогнозування ефективних констант пружності волокнистих композитів. Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія Машинобудування. 2010. № 58. С.24 – 29.
  6. Углеродные волокна и углекомпозиты: пер. с англ. / под ред. Э.Фитцера. Москва: Мир. 1988. 336 с.
  7. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология / пер. с англ. Москва: Техносфера. 2004. 407 c.
  8. Копань В. С. Композиційні матеріали: навч. посіб. Київ: Пульсари. 2004. 196 с.
  9. Нарусберг В. Л., Тетерс Г. А. Устойчивость и оптимизация оболочек из композитов. Рига: Зинатне. 1988. 297 с.
  10. Баженов В. А., Кривенко О. П., Соловей М. О. Нелінійне деформування та стійкість пружних оболонок неоднорідної структури. Київ: ЗАТ «Віпол». 2010. 316 с.
  11. Кривенко О. П., Лізунов П. П., Ворона Ю. В., Калашніков О. Б. Використання моментної схеми скінченних елементів при дослідженні тонких пружних оболонок неоднорідної структури. Управління розвитком складних систем. Київ, 2023. № 53. С. 52 – 62, dx.doi.org\10.32347/2412-9933.2023.53.52-62.
  12. Баженов В. А., Кривенко О. П. Стійкість і коливання пружних неоднорідних оболонок при термосилових навантаженнях. Київ: Каравела. 2020. 187 с.
  13. Соловей М. О., Кривенко О. П., Міщенко О. О., Калашніков О. Б. Врахування характеристик композитного матеріалу в скінченноелементній моделі неоднорідної оболонки. Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-техн. зб. Київ: КНУБА. 2012. Вип. 89. C. 172–180.
  14. Соловей М. О., Кривенко О. П., Міщенко О. О. Визначення ефективних фізико-механічних характеристик односпрямованого волокнистого композитного матеріалу. Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-техн. зб. Київ: КНУБА. 2013. Вип. 92. C. 30–49.
  15. Баженов В. А., Кривенко О. П. Застосування методик прогнозування пружних характеристик композитного матеріалу в скінченноелементній моделі оболонки неоднорідної структури. Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-техн. зб. Київ: КНУБА. 2017. Вип. 98. С. 3–15.
  16. Krivenko O. P., Lizunov P. P., Vorona Yu. V., Kalashnikov O. B. A Method for Analysis of Nonlinear Deformation, Buckling, and Vibrations of Thin Elastic Shells of an Inhomogeneous Structure. Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. Kyiv: KNUBA. 2023. Issue 110. P. 131–149.
  17. Блох В. И. Теория упругости. Харьков: Изд-во ХГУ. 1964. 483 с.
  18. Новацкий В. Теория упругости. Москва: Мир. 1975. 872 с.
  19. Сахаров А. С., Кислоокий В. Н., Киричевский В. В. и др. Метод конечных элементов в механике твердых тел. Київ: Вища шк. Голов. изд-во. 1982. 480 с.
  20. Шалашилин В. И., Кузнецов Е. Б. Метод продолжения решения по параметру и наилучшая параметризация в прикладной математике и механике. Москва: Эдиториал УРСС. 1999. 224 с.
  21. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. Москва: Мир. 1976. 464 с.
  22. Bazhenov V., Krivenko O. Buckling and Natural Vibrations of Thin Elastic Inhomogeneous Shells. Saarbruken, Deutscland: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2018. 97 p.
  23. Соловей М. О. Моделювання термопружних властивостей багатошарових матеріалів у задачах стійкості неоднорідних оболонок. Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-техн. зб. Київ: КНУБА. 2003. Вип. 73. С. 17–30.
  24. Лехницкий С. Г. Теория упругости анизотропного тела. Москва: Наука. 1977. 416 с.
  25. Амбарцумян С. А. Общая теория анизотропных оболочек. Москва: Наука. 1974. 446 с.
  26. Болотин В. В., Новичков Ю. И. Механика многослойных конструкций. Москва: Машиностроение. 1980. 375 с.
  27. Композитные материалы: Справочник. Васильев В. В., Протасов В. Д., Болотин В. В. и др.; Под общей ред.
    В. В. Васильева, Ю. М. Тарнапольского. Москва: Машиностроение. 1990. 512 с.
  28. Schapery R. A. Thermal expansion coefficients of composite materials based on energy principles. J. Compos. Mater. 1968. Vol. 2. No.3. P. 380.
  29. FEMAP. Геометричне та скінченно-елементне моделювання конструкцій у MSC. VisualNastran for Windows: Посібник / Рудаков К.М. Київ: НТУУ "КПІ". 2005. 218 с.
References: 
  1. Bondar, V. G., Bychkov, S. A., Korol, V. N. (2003). Solving the problem of creating aircraft structures from polymer composite materials at the ASTC "Antonov". Aerospace Engineering and Technology: Scientific and Technical. Magazine. Kharkiv: KhAI, 8 (43), 5–13. (in Russian).
  2. Dobridenko, O. M., Sklyar, O. I., Turchyn, V. M., Belinska, R. B. (2012). Analysis of existing composite materials and assessment of their use in airframe structures of Ukrainian military aviation. Coll. of science Proceedings of the State Research Institute of Aviation, 15, 147–152. (in Ukrainian).
  3. Vanin, G. A., Semenyuk, N. P., Emelyanov, R. F. (1978). Stability of shells made of reinforced materials. Kyiv: Nauk. Dumka, 212. (in Russian).
  4. Yuskaev, V. B. (2006). Composite materials: Study guide. Sumy: Publication of Sumy State University, 199. (in Ukrainian).
  5. Kucher, M. K., Kucher, M. K., Zarazovskyi, M. M. (2010). Evaluation of micromechanical models for predicting effective elastic constants of fibrous composites. Bulletin of the National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute". Mechanical engineering series, 58, 24–29. (in Ukrainian).
  6. Carbon fibers and carbon composites. (1988). Translation from English. Ed. E. Fitzer. Moscow: Mir. 336. (in Russian).
  7. Matthews, F., Rawlings, R. (2004). Composite materials. Mechanics and technology / transl. from English. Moscow: Technosphere, 407. (in Russian).
  8. Kopan, V. S. (2004). Compositional materials: teaching. Manual. Kyiv: Pulsary, 196. (in Ukrainian).
  9. Narusberg, V. L., Teters, G. A. (1988). Stability and optimization of composite shells. Riga: Zinatne, 297. (in Russian).
  10. Bazhenov, V.  A., Krivenko, O.  P., Solovei, N.  A. (2010). Nonlinear Deformation and Stability of Elastic Inhomogeneous Structure Shells. Кyiv: Vipol, 316. (in Ukrainian).
  11. Krivenko, Olga P., Lizunov, Petro, Vorona, Yurii & Kalashnikov, Oleksandr. (2023). Application of the finite element moment scheme to the investigation of thin elastic shells of inhomogeneous structure. Management of Development of Complex Systems, 53, 52–62, dx.doi.org\10.32347/2412-9933.2023.53.52-62. (in Ukrainian).
  12. Bazhenov, V. A., Krivenko, O. P. (2020). Buckling and Vibrations of Elastic Inhomogeneous Shells under thermo-mechanical loads. Кyiv: Karavella, 187. (in Ukrainian).
  13. Solovei, M. O., Krivenko, O. P., Mishchenko, O. O., Kalashnikov, O. B. (2012). Composite material characteristics consideration in a finite elements model of a inhomogeneous shell. Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. Kyiv: KNUBA, 89, 172-180. (in Ukrainian).
  14. Solovei, M. O., Krivenko, O. P., Mishchenko, O. O. (2013). Determination of the effective physicomechanical characteristics of unidirectional fiber composite material. Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. Kyiv: KNUBA, 92, 30–49. (in Ukrainian).
  15. Bazhenov, V. A., Krivenko, O. P. (2017). Application of techniques for predicting elastic properties of the composite material in the finite element model of the shell with inhomogeneous structure. Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. Kyiv: KNUBA, 98, 3–15. (in Ukrainian).
  16. Krivenko, O. P., Lizunov, P. P., Vorona, Yu. V., Kalashnikov, O. B. (2023). A Method for Analysis of Nonlinear Deformation, Buckling, and Vibrations of Thin Elastic Shells of an Inhomogeneous Structure. Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. Kyiv: KNUBA, 110, 131–149.
  17. Bloch, V.  I. (1964). Theory of Elasticity. Kharkov: Publishing House of KhSU, 483. (in Russian).
  18. Novatsky, V. (1975). Theory of elasticity. Moscow: Mir, 872. (in Russian).
  19. Sakharov, A.  S., et al. (1982). Finite element method in solid mechanics. Кyiv: Vishcha shkola. Golovn. izd-vo, 480. (in Russian).
  20. Shalashilin, V. I., Kuznetsov, E. B. (1999). The method of continuation of the solution with respect to a parameter and the best parametrization in applied mathematics and mechanics. Moscow: Editorial URSS, 224. (in Russian).
  21. Oden, J. (1976). Finite elements in non-linear continuum mechanics. Moscow: Mir, 464. (in Russian).
  22. Bazhenov, V., Krivenko, O. (2018). Buckling and Natural Vibrations of Thin Elastic Inhomogeneous Shells. Saarbruken, Deutscland: LAP LAMBERT Academic Publishing, 97.
  23. Solovei, M. O. (2003). Modeling of thermoelastic properties of multilayer materials in problems of stability of inhomogeneous shells. Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. Kyiv: KNUBA, 73, 17-30. (in Ukrainian).
  24. Lekhnitsky, S. G. (1977). Theory of elasticity of an anisotropic body. Moscow: Nauka, 416. (in Russian).
  25. Ambartsumyan, S.  A. (1974). General Theory of Anisotropic Shells. Moscow: Nauka, 446. (in Russian).
  26. Bolotin, V. V., Novichkov, Yu. I. (1980). Mechanics of multilayer structures. Moscow: Mashinostroyeniye, 375. (in Russian).
  27. Vasiliev, V. V., Protasov, V. D., Bolotin, V. V. (1990). Composite Materials: A Handbook. Under the general editorship. V. V. Vasilyeva, Yu. M. Tarnapolsky. Moscow: Mashinostroyeniye, 512. (in Russian).
  28. Schapery, R. A. (1968). Thermal expansion coefficients of composite materials based on energy principles. J. Compos. Mater., 2, 3, 380.
  29. Rudakov K.M. (2005). FEMAP. Geometric and finite element modeling of structures in MSC. VisualNastran for Windows: Manual. Kyiv: NTUU "KPI", 218. (in Ukrainian).