تحلیل تنش حرارتی پوسته استوانه‌ای کامپوزیتی تقویت شده با نانو‌لوله‌های کربنی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران

2 استادیار گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله، رفتار پوسته استوانه‌ای کامپوزیتی تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی تحت بار حرارتی و شرایط تکیه‌گاهی ساده، به روش تحلیلی و عددی مورد بررسی قرار گرفته‌است. میدان جابجایی خطی و بر اساس تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول فرض شده‌است. برای حل معادلات از روش انرژی ریتز و نرم افزار المان محدود آباکوس استفاده شده‌است. برای تعیین ویژگی‌ها و خواص مکانیکی ماده، تئوری اختلاط با پنج شکل مختلف توزیع نانولوله‌ها به کار رفته‌است. این توزیع نانولوله‌ها به شکل یکنواخت و شکل‌های V، A، X و O، با فرض توزیع یکنواخت دما و عدم وجود شار حرارتی تولیدی در پوسته در نظر گرفته‌شده‌است. در هر یک از این حالت‌ها، شرایط تکیه‌گاهی یکسان است، اما درجه حرارت، شرایط مرزی حرارتی و مقادیر توابع حجم نانولوله کربنی متفاوت است. نتایج اعتبارسنجی نشان می‌دهد که هر دو روش حل انرژی و المان محدود دارای تطابق خوبی با یکدیگر هستند. نتایج تفاوت رفتار هر یک از مدل‌های ماده توزیع نانولوله‌های کربنی و همچنین تأثیر افزایش درجه حرارت و افزایش تابع حجم نانولوله‌های کربنی بر روی گرادیان حرارت، مولفه‌های تنش و جابجایی نمایش داده شده‌است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش تابع حجم نانولوله کربنی باعث افزایش مقادیر تنش و گرادیان حرارتی شده و از طرف دیگر باعث کاهش جابجایی شده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Thermal Stress Analysis of the Carbon Nanotube Reinforced Composite Cylindrical Shells

نویسندگان [English]

  • Hamed Aminivida 1
  • Hassan Shokrollahi 2
  • Reza Beigpour 1
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran
چکیده [English]

This paper presents an analytical and computational approach for investigating the behavior of a simply supported carbon nanotube-reinforced composite shell that has been exposed to temperature variations. The equations are solved using the Ritz energy method for the analytical solution and ABAQUS finite element software for numerical solution. The displacement field is the first-order shear deformation theory, and the linear equations were solved using the rule of the mixture to determine the mechanical properties of carbon nanotube-reinforced composites. A uniform distribution of temperature with no heat flux in the shell and nanotubes in five distinct shapes classified as V, A, X, and O have been considered in this study. The support conditions are the same in all cases, but the temperature, thermal boundary conditions, and carbon nanotube volume function values vary. The findings are illustrated in a detailed manner in the form of diagrams, which perfectly demonstrate the differences between both of the carbon nanotube distribution material models. Validation of the results shows great compatibility in energy solution and finite element methods. The results show that increasing the volume function of the carbon nanotubes increases the stress values and thermal gradients, and on the other hand, reduces the displacement, and by increasing the temperature the number of stress increases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cylindrical shell
  • composite
  • Carbon Nanotube
  • Thermal Stress
  • Ritz method
[1] V. Anumandla, R.F. Gibson, A comprehensive closed form micromechanics model for estimating the elastic modulus of nanotube-reinforced composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 37(12) (2006) 2178-2185.
[2] P. Bonnet, D. Sireude, B. Garnier, O. Chauvet, Thermal properties and percolation in carbon nanotube-polymer composites, Applied Physics Letters, 91(20) (2007) 201910.
[3] M. Griebel, J. Hamaekers, Molecular dynamics simulations of the elastic moduli of polymer–carbon nanotube composites, Computer methods in applied mechanics and engineering, 193(17-20) (2004) 1773-1788.
[4] Y. Han, J. Elliott, Molecular dynamics simulations of the elastic properties of polymer/carbon nanotube composites, Computational Materials Science, 39(2) (2007) 315-323.
[5] G.D. Seidel, D.C. Lagoudas, Micromechanical analysis of the effective elastic properties of carbon nanotube reinforced composites, Mechanics of Materials, 38(8-10) (2006) 884-907.
[6] M.H. Yas, M. Heshmati, Dynamic analysis of functionally graded nanocomposite beams reinforced by randomly oriented carbon nanotube under the action of moving load, Applied Mathematical Modelling, 36(4) (2012) 1371-1394.
[7] H.S. Shen, Y. Xiang, Nonlinear analysis of nanotube-reinforced composite beams resting on elastic foundations in thermal environments, Engineering Structures, 56 (2013) 698-708.
[8] A. Alibeigloo, K.M. Liew, Thermoelastic analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite plate using theory of elasticity, Composite Structures, 106 (2013) 873-881.
[9] A. Alibeigloo, Static analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite plate embedded in piezoelectric layers by using theory of elasticity, Composite Structures, 95 (2013) 612-622.
[10] A. Alibeigloo, Elasticity solution of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite cylindrical panel subjected to thermo mechanical load, Composites Part B: Engineering, 87 (2016) 214-226.
[11] K. Mehar, S.K. Panda, Thermoelastic analysis of FG-CNT reinforced shear deformable composite plate under various loadings, International Journal of Computational Methods, 14(2) (2017) 1750019.
[12] S. Zghal, A. Frikha, Static Behavior of Carbon Nanotubes Reinforced Functionally Graded Nanocomposite Cylindrical Panels, in, Springer International Publishing, Cham, 2018, pp. 199-207.
[13] P. Jeyaraj, I. Rajkumar, Static behavior of FG-CNT polymer nano composite plate under elevated non-uniform temperature fields, Procedia Engineering, 64 (2013) 825-834.
[14] Z.X. Wang, H.S. Shen, Nonlinear vibration of nanotube-reinforced composite plates in thermal environments, Computational Materials Science, 50(8) (2011) 2319-2330.
[15] H.S. Shen, Y. Xiang, Thermal postbuckling of nanotube-reinforced composite cylindrical panels resting on elastic foundations, Composite Structures, 123 (2015) 383-392.
[16] H.S. Shen, Y. Xiang, Postbuckling of nanotube-reinforced composite cylindrical shells under combined axial and radial mechanical loads in thermal environment, Composites Part B: Engineering, 52 (2013) 311-322.
[17] H.S. Shen, Torsional postbuckling of nanotube-reinforced composite cylindrical shells in thermal environments, Composite Structures, 116 (2014) 477-488.
[18] K.M. Liew, Z.X. Lei, L.W. Zhang, Mechanical analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composites: a review, Composite Structures, 120 (2015) 90-97.
[19] S. Jafari Mehrabadi, B. Sobhani Aragh, Stress analysis of functionally graded open cylindrical shell reinforced by agglomerated carbon nanotubes, Thin-Walled Structures, 80 (2014) 130-141.
[20] D.G. Ninh, N.D. Tien, Investigation for electro-thermo-mechanical vibration of nanocomposite cylindrical shells with an internal fluid flow, Aerospace Science and Technology, 92 (2019) 501-519.
[21] A. Alibeigloo, A.A. Pasha Zanoosi, Thermo-electro-elasticity solution of functionally graded carbon nanotube reinforced composite cylindrical shell embedded in piezoelectric layers, Composite Structures, 173 (2017) 268-280.
[22] A. Alibeigloo, Thermoelastic analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite cylindrical panel embedded in piezoelectric sensor and actuator layers, Composites Part B: Engineering, 98 (2016) 225-243.
[23] A. Alibeigloo, Three-dimensional thermoelasticity solution of functionally graded carbon nanotube reinforced composite plate embedded in piezoelectric sensor and actuator layers, Composite Structures, 118 (2014) 482-495.
[24] A. Alibeigloo, Elasticity solution of functionally graded carbon-nanotube-reinforced composite cylindrical panel with piezoelectric sensor and actuator layers, Smart materials and structures, 22(7) (2013) 075013.
[25] H. Asadi, Numerical simulation of the fluid-solid interaction for CNT reinforced functionally graded cylindrical shells in thermal environments, Acta Astronautica, 138 (2017) 214-224.