تأثیر پارامترهای لایه‌چینی بر روی رفتار ارتعاشی محور کامپوزیتی هیبریدی دوار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

یک محور کامپوزیتی دوار می‌تواند برای انتقال قدرت در صنایع مربوط به ماشین آلات دوار استفاده شود. در مقایسه با یک محور انتقال قدرت فلزی مرسوم، یک محور انتقال قدرت کامپوزیتی، معمولاً دارای فرکانس‌های طبیعی و سرعت‌های بحرانی بالاتری است. در این مقاله ابتدا در حالت دوار، نتایج المان محدود یک محور کامپوزیتی 8 لایه کربن/ اپوکسی در حالت دو دیسک فولادی در وسط به صورت متقارن و قطرهای مختلف با نتایج پژوهش پیشین مقایسه شده و صحت نتایج تأیید می‌شود. سپس یک محور کامپوزیتی تو خالی هیبریدی 8 لایه از جنس کربن/ اپوکسی و شیشه/ اپوکسی با دو دیسک فولادی که روی تکیه‌گاه‌های ارتجاعی قرار دارد، مدل‌سازی می‌گردد. با بکارگیری معادلات لاگرانژ، معادلات حرکت محور کامپوزیتی هیبریدی با استفاده از تئوری تیر مدول معادل اصلاح شده بدست می‌آیند. با کدنویسی در نرم‌افزار متلب و حل عددی، نمودار دامنه بر حسب فرکانس در حالت دوار بدست می‌آید و با نتایج شبیه‌سازی محور کامپوزیتی در نرم‌افزار انسیس مقایسه شده و صحه‌گذاری انجام می‌گیرد. در نهایت تأثیر پارامترهای لایه‌چینی مانند زاویه الیاف و ترتیب استفاده از کربن/ اپوکسی و شیشه/ اپوکسی بر روی فرکانس‌های طبیعی بررسی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of Stacking Sequence Parameters on the Vibration Behavior of Rotating Hybrid Composite Shaft

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mahdi Nazari
  • Abbas Rahi
  • Roohollah Sarfaraz Khabbaz
Ph.D. Candidate, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

A rotating composite shaft can be used with power transmission applications in the rotating machinery industry. A composite power transmission shaft usually has higher natural frequencies and critical speeds than a conventional metal power transmission shaft. Accurate determination of the natural frequency of the shaft is of great importance in its design, especially in the case of composite shafts due to the anisotropy of composite materials. In this paper, first in a rotating state, finite element results of a composite shaft of eight layers of carbon/epoxy in the case of two steel discs in the middle are symmetric with different diameters are compared with the results of previous research and the accuracy of the results is verified. A hollow composite shaft of eight layers of carbon/epoxy and glass/epoxy is modeled with two steel discs on the elastic supports. Applying the Lagrange equations, the equations of motion of the hybrid composite shaft are obtained using the modified equivalent modulus beam theory. By writing code in MATLAB software and numerical solution, the amplitude diagram in terms of frequency in the rotating state is obtained and compared with the results of the composite shaft simulation in Ansys software, and validation is performed. Finally, the effect of stacking sequence parameters such as fiber angle, arrangement of use carbon/epoxy, and glass/epoxy on natural frequencies is investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hybrid composite shaft
  • Stacking sequence
  • Elastic bearing
  • Campbell diagram
  • Critical speed

مراجع

[1] L. Qi, C. Li, X. Yu, W. Min, H. Shi, L. Tao, H. Wang, M. Yu, L. Ni, Z. Sun, Effect of reinforced fibers on the vibration characteristics of fibers reinforced composite shaft tubes with metal flanges, Composite Structures, 275 (2021) 114460.
[2] R. Bavi, A. Hajnayeb, H.M. Sedighi, M. Shishesaz, Simultaneous resonance and stability analysis of unbalanced asymmetric thin-walled composite shafts, International Journal of Mechanical Sciences, 217 (2022) 107047.
[3] P.C. Barbosa, V.T. Del Claro, M.S. Sousa Jr, A.A. Cavalini Jr, V. Steffen Jr, Experimental analysis of the SHBT approach for the dynamic modeling of a composite hollow shaft, Composite Structures, 236 (2020) 111892.
[4] H. Kafi, S. Hosseini, Dynamic analysis of nonlinear rotating composite shafts excited by non‐ideal energy source, ZAMM‐Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 99(5) (2019) e201800279.
[5] A.C. Dixit, B. Sridhara, M. Achutha, Evaluation of Critical Speed for Aluminum–Boron Carbide Metal Matrix Composite Shaft, in:  Innovative Design, Analysis and Development Practices in Aerospace and Automotive Engineering (I-DAD 2018), Springer, 2019, pp. 527-534.
[6] V. Jagadale, S.N. Padhi, Fabrication and torsional strength evaluation of a glass fiber epoxy composite shaft, Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 28 (2021) 282-285.
[7] W.R.D.P. Mendonça, E.C. De Medeiros, A.L.R. Pereira, M.H. Mathias, The dynamic analysis of rotors mounted on composite shafts with internal damping, Composite Structures, 167 (2017) 50-62.
[8] Z. Sun, J. Xiao, X. Yu, R. Tusiime, H. Gao, W. Min, L. Tao, L. Qi, H. Zhang, M. Yu, Vibration characteristics of carbon-fiber reinforced composite drive shafts fabricated using filament winding technology, Composite Structures, 241 (2020) 111725.
[9] H. Shaban Ali Nezhad, S. Hosseini, M. Moradi Tiaki, Combination resonances of spinning composite shafts considering geometric nonlinearity, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 41(11) (2019) 1-21.
[10] S.B. Arab, J.D. Rodrigues, S. Bouaziz, M. Haddar, Stability analysis of internally damped rotating composite shafts using a finite element formulation, Comptes Rendus Mécanique, 346(4) (2018) 291-307.
[11] K. Ri, K. Choe, P. Han, Q. Wang, The effects of coupling mechanisms on the dynamic analysis of composite shaft, Composite Structures, 224 (2019) 111040.
[12] H. Gubran, K. Gupta, The effect of stacking sequence and coupling mechanisms on the natural frequencies of composite shafts, Journal of sound and vibration, 282(1-2) (2005) 231-248.
[13] R.M. Shinde, S.M. Sawant, Investigation on glass-epoxy composite drive shaft for light motor vehicle, International Journal of Design Engineering, 9(1) (2019) 22-35.
[14] S. Ghoneam, A. Hamada, M. EL-Elamy, The Effect of Stacking Sequence and Coupling Mechanisms on Eigen-Nature of Composite Shafts, in:  International Conference on Aerospace Sciences and Aviation Technology, The Military Technical College, 2013, pp. 1-21.
[15] B. Ravishankar, S.K. Nayak, M.A. Kader, Hybrid composites for automotive applications–A review, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 38(18) (2019) 835-845.
[16] P. Udatha, A. Sekhar, R. Velmurugan, The effect of CNT to enhance the dynamic properties of hybrid composite tube shafts, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 26(1) (2019) 88-92.
[17] G. Aklilu, S. Adali, G. Bright, Failure analysis of rotating hybrid laminated composite beams, Engineering Failure Analysis, 101 (2019) 274-282.
[18] M.I. Yusuff, Mechanical properties of woven carbon Fiber/Kenaf Fabric reinforced epoxy matrix hybrid composites, Malaysian Journal of Microscopy, 15(1) (2019).
[19] O. Montagnier, C. Hochard, Optimisation of hybrid high-modulus/high-strength carbon fibre reinforced plastic composite drive shafts, Materials & Design, 46 (2013) 88-100.
[20] M. Arun, K.S. Vinoth, Design and development of laminated aluminum glass fiber drive shaft for light duty vehicles, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, 2 (2013) 157-165.
[21] H. Shaban Ali Nezhad, S. Hosseini, M. Zamanian, Flexural–flexural–extensional–torsional vibration analysis of composite spinning shafts with geometrical nonlinearity, Nonlinear Dynamics, 89(1) (2017) 651-690.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 10
دی 1401
صفحه 2277-2296

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار