Исследование потери устойчивости цилиндрической оболочки, выполненной из композиционного материала

Введение. Композиционные материалы применяются в строительстве объектов транспортной инфраструктуры, зданий и сооружений разного назначения, в жилищно-коммунальном хозяйстве. Расчёт конструкций из композиционных материалов используется в области: напряженно-деформированного состояния, потери устойчивости, анализа при растяжении материала, влияния трещин на состояние этих конструкций. Рассматриваются основные свойства композиционных материалов и способ изготовления конструкции цилиндрической оболочки из композиционного материала. Общее количество вариантов намоток вычисляется методом комбинаторики.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования выбрана композиционная цилиндрическая оболочка радиусом R = 300 мм и высотой H = 600 мм. Описано создание модели цилиндрической оболочки в пакете конечно-элементного анализа. Задана осевая сжимающая нагрузка, действующая на оболочку силой F = 100 кН. Определение соотношения критической силы.

Результаты. Получены результаты анализа потери устойчивости цилиндрической оболочки и приведены графики зависимости критической силы от вариантов укладок слоёв. В зависимости от величины критической силы и формы потери устойчивости определены наиболее и наименее благоприятные варианты укладок слоёв в пакете композиционного материала.

Обсуждение и заключение. Сделан вывод зависимости критической силы от комбинации укладок слоёв в композите.

1. Цыгвинцев И.В., Постникова П.И., Сенцов И.В. Применение композиционных материалов в строительстве // Инновационное развитие. 2017. С. 26–29.

2. Малаховский С.С., Панафидникова А.Н., Костромина Н.В., Осипчик В.С. Углепластики в современном мире: их свойства и применения // Успехи в химии и химической технологии. 2019. Т. 33. № 6 (216). С. 62–64.

3. Корбова А.А. Проектирование легкой катерной надстройки из полимерных композиционных материалов // Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. № 2. С. 242–249.

4. Samyn P., Van Schepdael L., Leendertz J. S., Gerber A., Van Paepegem W., De Baets P. Degrieck J. Deformation of reinforced polymer bearing elements on full-scale compressive strength and creep tests under yielding conditions // Polymer Testing. 2006. 230-245 p.

5. Quintelier J., Samyn P., De Baets P., Tuzolana T., Van Paepegem W., Van den Abeele F., Vermeulen J. Wear behavior of carbon fiber-reinforced poly(phenylene sulfide) // Polymer Composites. 2006. 92-98 p.

6. Аношкин А.Н., Федоровцев Д.И., Писарев П.В., Осокин В.М. Расчет напряженно-деформированного состояния фланца из полимерных композиционных материалов с дефектом в виде расслоения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2015. № 43. С. 116–130.

7. Кудряшов А.Б., Кутышов В.Ф. Методика расчета и проектирования створок люков летательных аппаратов из композиционных материалов // Ученые записки ЦАГИ. 1985. Т.16. № 5. С. 74–83.

8. Карташова Е.Д., Муйземнек А.Ю. Расчет межслойных напряжений в композиционных оболочках с двоякой положительной кривизной // Вестник Пензенского государственного университета. 2017. № 2(18). С. 105–111.

9. Sofiyev A. H., Avcar M. The stability of cylindrical shells containing an FDM layer subjected to axial load on the pasternak foundation // Scientific research. 2010. 228-236 p.

10. Rah K., Van Paepegem W., Habraken A. M., Degrieck J. A mixed solid-shell element for the analysis of laminated composites // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2012. 805-828 p.

11. Aimenov Zh. T., Khudyakova T. M., Sarsenbayev B. K. Composite cements production and their economic and technological advantages // Industrial Technologies and Engineering (ICITE-2017). IV International Conference. 2017. 301-306 p.

12. Давлетчин Д.И. Композиционные материалы для авиастроения, энергетики, машиностроения // Наукоемкие технологии. 2019. Т. 20. № 2. С. 34–39.

13. Stepanova M. Y., Baurova N. I. Analysis of methods for determining the biostability of polymer composite materials used in mechanical engineering // Polymer Science. Series D. 2020. Vol. 13. № 3. 345-348 p.

14. Neumeister J., Jansson S., Leckie F. The effect of fiber architecture on the mechanical properties of carbon/carbon fiber composites // Acta Materialia. 1996. Vol. 44. № 2. 573-585 p.

15. Vasilescu A., Gáspár S., Hayat A., Marty J. -L. Аdvantages of carbon nanomaterials in electrochemical aptasensors for food analysis. // Electroanalysis. 2018. Vol. 30. № 1. 2-19 p.

16. Lamberti M., Pedata P., Sannolo N., Porto S., Caraglia M., De Rosa A. Carbon nanotubes: properties, biomedical applications, advantages and risks in patients and occupationally-exposed workers // International Journal of Immunopathology and Pharmacology. 2015. Vol. 28. № 1. 4-13 p.

17. Li C., Liu Z. -H., Zheng Y. -P. Effect of anisotropy of composite material plate on hole-edge stresses of rectangle hole // Jilin Daxue Xuebao (Gongxueban). 2007. Vol. 37. № 6. 1327-1331 p.

18. Рытова Т.Г. К вопросу потери устойчивости предварительно-напряженных тонкостенных цилиндрических оболочек // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2019. № 4 (42). С. 111–118.

19. Попова А.П. Исследование устойчивости сжатой анизотропной цилиндрической оболочки // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2018. Т. 1. С. 266–268.

20. Артемьева А.А., Баранова М.С., Кибец А.И., Романов В.И., Рябов А.И., Шошин Д.В. Конечно-элементный анализ устойчивости упругопластической сферической оболочки при всестороннем сжатии // Вестник Нижегородского университета им Н.И. Лобачевского. 2011. № 3 (1). С.158–162.

21. Косицын С.Б., Акулич В.Ю. Определение критической нагрузки потери устойчивости стержневой и плоской моделей круговой цилиндрической оболочки, взаимодействующей с основанием // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Том 15. № 4. С. 291–297.

22. Васильев В.В. К задаче устойчивости цилиндрической оболочки при осевом сжатии // Известия российской академии наук. Механика твердого тела. 2011. № 2. С. 5–15.