vestnikcstroyВестник НИЦ «Строительство»Bulletin of Science and Research Center of Construction2224-94942782-3938АО «НИЦ «Строительство»10.37538/2224-9494-2022-2(33)-20-31vestnikcstroy-231Research ArticleБЕТОН И ЖЕЛЕЗОБЕТОН – ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫCONCRETE AND REINFORCED CONCRETE: CURRENT ISSUES AND DEVELOPMENT PROSPECTSОценка влияния укладки слоев композиционного материала на потерю устойчивости цилиндрической оболочкиEffects of composite material layering on the buckling mode of a cylindrical shellhttps://orcid.org/0000-0003-3234-0977АдеговаЛ. А.AdegovaL. A.

Людмила Алексеевна Адегова, канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительная механика»

Scopus Author ID: 57213838719

Ленинградская ул., д. 113, г. Новосибирск, 630008

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Department of Constructional Mechanics

Scopus Author ID: 57213838719

Leningradskaya str., 113, Novosibirsk, 630008

I.adegova@sibstrin.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3565-7294БобрышеваМ. В.BobryshevaM. V.

Мария Викторовна Бобрышева, студент

Ленинградская ул., д. 113, г. Новосибирск, 630008

Maria V. Bobrysheva, student

Leningradskaya str., 113, Novosibirsk, 630008

m.bobrysheva@edu.sibstrin.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8813-0912ЩербининаА. Е.ShcherbininaA. E.

Александра Евгеньевна Щербинина, студент

Ленинградская ул., д. 113, г. Новосибирск, 630008

Alexandra E. Scherbinina, student

Leningradskaya str., 113, Novosibirsk, 630008

shherbinina-sash@mail.ruНовосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)РоссияNovosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin)Russian Federation2022080720223322031Copyright © Адегова Л.А., Бобрышева М.В., Щербинина А.Е., 20222022Адегова Л.А., Бобрышева М.В., Щербинина А.Е.Adegova L.A., Bobrysheva M.V., Shcherbinina A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.cstroy.ru/jour/article/view/231Введение

Введение. Использование композиционных материалов в конструкциях и деталях востребовано. Актуальность работы определяется исследованием устойчивости оболочечной конструкции из углепластика. Задача анализа на механическое поведение расположения слоев намотки оболочки остается недостаточно исследованной, хотя имеется опыт в создании геометрических моделей конечно-элементных сеток и исследовании потери устойчивости конструкции, выполненной из оболочки. Поэтому вопрос влияния на форму потери устойчивости при варьировании расположения слоев намотки актуален для их регламентации при различной комбинации углов, так как нет полных данных.

Цель исследования – выявление расположения слоев намотки, при котором будут действовать максимальная и минимальная критические силы.

Материалы и методы

Материалы и методы. Объект исследования – цилиндрическая оболочка радиусом 300 мм, высотой 600 мм и толщиной стенки 1,56 мм из восьми слоев углеродного волокна различной ориентации, пропитанного эпоксидной смолой. Моделирование конструкции проводилось с помощью метода конечных элементов. Стенки цилиндрической оболочки моделировались плоскими элементами типа Laminate, учитывающими слои укладки композита. По нижнему торцу цилиндр имел жесткое защемление, по верхнему – прикладывалась осевая сжимающая сила 100 кН. С использованием программного комплекса получены различные варианты потери устойчивости для дальнейшего анализа.

Результаты

Результаты. Методом конечных элементов получены данные, описывающие потерю устойчивости цилиндрической оболочки, – коэффициент критической нагрузки при первой форме потери устойчивости, также приведены графики зависимости критической силы от вариантов укладок слоев. В зависимости от величины критической силы и формы потери устойчивости выбраны наиболее и наименее благоприятные варианты укладок слоев в пакете композиционного материала.

Выводы

Выводы. Установлено, что ориентация слоев в пакете композиционного материала влияет на форму потери устойчивости и величину критической силы. Зная условия нагружения и закрепления конструкции, можно рационально выбирать ориентацию слоев, что увеличивает критическую силу в 2,25 раза. 

Introduction

Introduction. At present, composite materials are widely used in building structures and their components. The relevance of the work is determined by the buckling study of a shell structure made of a carbon fiber reinforced polymer. Despite the available experience in creating geometric models of finite element grids and studying the buckling of shell structures, the task of analyzing the mechanical behavior of shell layers remains insufficiently investigated. Therefore, research into the effects caused by polymer layering variations on a buckling mode appears to be urgent for regulating the layering process at various angle combinations due to a lack of sufficient data.

Aim

Aim. The study was aimed at identifying a layering pattern, under which maximum and minimum critical forces operate.

Materials and methods

Materials and methods. The object of the study involves a cylindrical shell with a radius of 300 mm, a height of 600 mm, and a wall thickness of 1.56 mm made of eight variously-oriented carbon fiber layers impregnated with epoxy resin. The design modeling was performed using the finite element method. The cylindrical shell walls were modeled in terms of Laminate type flat elements, taking into account the composite layers. At the lower end, the cylinder was rigidly fixed and 100 kN axial compressive force was applied to the upper end of the cylinder. Using a software package, the variants of buckling modes were obtained for further analysis.

Results

Results. The data, describing the buckling of a cylindrical shell, including the critical load coefficient at the first buckling mode were obtained by the finite element method. In addition, the dependence of a critical force on layering patterns was determined. Depending on the critical force value and the buckling mode, the most and least favorable patterns of layering in a package of a composite material were selected.

Conclusions

Conclusions. The orientation of layers in a composite material package affects the buckling mode and the value of critical force. An optimal selection of the layer orientation increases the critical force value by 2.25 times based on the information about the conditions of structural loading and fastening. 

устойчивостькомпозиционный материалкритическая силацилиндрическая оболочкауглепластикbucklingcomposite materialcritical forcecylindrical shellcarbon plasticReferencesRah 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;89(7):805–828. https://doi.org/10.1002/nme.3263Rah 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;89(7):805–828. https://doi.org/10.1002/nme.3263Sofiyev A.H., Avcar M. The stability of cylindrical shells containing an FDM layer subjected to axial load on the pasternak foundation. Engineering. 2010;02(04):228–236. https://doi.org/10.4236/eng.2010.24033Sofiyev A.H., Avcar M. The stability of cylindrical shells containing an FDM layer subjected to axial load on the pasternak foundation. Engineering. 2010;02(04):228–236. https://doi.org/10.4236/eng.2010.24033Цыгвинцев И.В., Постникова П.И., Сенцов И.В. Применение композитных материалов в строительстве. Инновационное развитие. 2017;(7):26–29.Tsygvintsev I.V., Postnikova P.I., Sentsov I.V. The use of composite materials in construction. Innovatsionnoe razvitie [Innovative development]. 2017;(7):26–29 (in Russian).Корбова А.А. Проектирование легкой катерной надстройки из полимерных композиционных материалов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020;(S2):242–249.Korbova A.A. Designing a light boat superstructure made of polymer composite materials. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra = Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020;(S2):242–249 (in Russian).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;33(6):62–64.Malakhovsky S.S., Panafidnikova A.N., Kostromina N.V., Osipchik V.S. Carbon fiber plastics in the modern world: their properties and applications. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii = Advances in chemistry and chemical technology. 2019;33(6):62–64 (in Russian).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;27(1):92–98. https://doi.org/10.1002/pc.20165Quintelier 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;27(1):92–98. https://doi.org/10.1002/pc.20165Samyn P., Van Schepdael L., Leendertz J.S., Gerber A., Van Paepegem W., De Baets Degrieck J. Deformation of reinforced polymer bearing elements on full-scale compressive strength and creep tests under yielding conditions. Polymer Testing. 2006;25(2):230–245. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2005.10.004Samyn P., Van Schepdael L., Leendertz J. S., Gerber A., Van Paepegem W., De Baets Degrieck J. Deformation of reinforced polymer bearing elements on full-scale compressive strength and creep tests under yielding conditions. Polymer Testing. 2006;25(2):230–245. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2005.10.004Давлетчин Д.И. Композиционные материалы для авиастроения, энергетики, машиностроения. Наукоемкие технологии. 2019;20(2):34–39.Davletchin D.I. Composite materials for aircraft construction, power engineering, mechanical engineering. Naukoemkie tekhnologii Science Intensive Technologies. 2019;20(2):34–39 (in Russian).Aimenov Zh.T., Khudyakova T.M., Sarsenbayev B.K. Composite cements production and their economic and technological advantages. In: Industrial Technologies and Engineering (ICITE-2017): IV International Conference, Shymkent, Kazakhstan, 26–27 октября 2017 года. Shymkent, Kazakhstan: Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения «Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауэзова»; 2017. p. 301–306.Aimenov Zh.T., Khudyakova T.M., Sarsenbayev B.K. Composite cements production and their economic and technological advantages. In: Industrial Technologies and Engineering (ICITE-2017): IV International Conference, Shymkent, Kazakhstan, October 26–27, 2017. Shymkent, Kazakhstan: Republican state Enterprise on the right of economic management “M. Auezov South Kazakhstan State University”; 2017. p. 301–306.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;13(3):345–348. https://doi.org/10.1134/s1995421220030193Stepanova 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;13(3):345–348. https://doi.org/10.1134/s1995421220030193Lamberti 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;28(1):4–13. https://doi.org/10.1177/0394632015572559Lamberti 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;28(1):4–13. https://doi.org/10.1177/0394632015572559Neumeister J., Jansson S., Leckie F. The effect of fiber architecture on the mechanical properties of carbon/carbon fiber composites. Acta Materialia. 1996;44(2):573–585. https://doi.org/10.1016/1359-6454(95)00184-0Neumeister J., Jansson S., Leckie F. The effect of fiber architecture on the mechanical properties of carbon/ carbon fiber composites. Acta Materialia. 1996;44(2):573–585. https://doi.org/10.1016/1359-6454(95)00184-0Vasilescu A., Gáspár S., Hayat A., Marty J.-L. Аdvantages of carbon nanomaterials in electrochemical aptasensors for food analysis. Electroanalysis. 2018;30(1):2–19. https://doi.org/10.1002/elan.201700578Vasilescu A., Gáspár S., Hayat A., Marty J.-L. Аdvantages of carbon nanomaterials in electrochemical aptasensors for food analysis. Electroanalysis. 2018;30(1):2–19. https://doi.org/10.1002/elan.201700578Аношкин 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):116–130.Anoshkin A.N., Fedorovtsev D.I., Pisarev P.V., Osokin V.M. Calculation of the stress-strain state of a flange made of polymer composite materials with a defect in the form of a bundle. Vestnik Permskogo natsional’nogo issledovatel’skogo politekhnicheskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika = PNRPU Aerospace Engineering Bulletin. 2015;43:116–130 (in Russian).Карташова Е.Д., Муйземнек А.Ю. Расчет межслойных напряжений в композиционных оболочках с двоякой положительной кривизной. Вестник Пензенского государственного университета. 2017;(2):105–111.Kartashova E.D., Muyzemnek A.Yu. Calculation of interlayer stresses in composite shells with double positive curvature. Vestnik Penzenskogo gosudarstvennogo universiteta = Vestnik of Penza state university. 2017;(2):105–111 (in Russian).Кудряшов А.Б., Кутышов В.Ф. Методика расчета и проектирования створок люков летательных аппаратов из композиционных материалов. Ученые записки ЦАГИ. 1985;16(5):74–83.Kudryashov A.B., Kutyshov V.F. Methodology of calculation and design of hatch doors of aircraft made of composite materials. Uchenye zapiski TsAGI [Scientific notes of TsAGI]. 1985;16(5):74–83 (in Russian).Адегова Л.А., Голдаева А.В., Паршин И.В. Исследование потери устойчивости конструктивных элементов. B: Интеллектуальный потенциал Сибири: сборник научных трудов. Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет; 2018. с. 155–157.Adegova L.A., Goldaeva A.V., Parshin I.V. Study of structural elements stability loss. In: Intellectual potential of Siberia: Collection of scientific papers. Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University; 2018. p. 155–157 (in Russian).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):158–162.Artemyeva A.A., Baranova M.S., Kibets A.I., Romanov V.I., Ryabov A.I., Shoshin D.V. Finite element analysis of the stability of an elastic-plastic spherical shell under comprehensive compression. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im N.I. Lobachevskogo = Vestnik of Lobachevsky University of Nizhni Novgorod. 2011;(3):158–162 (in Russian).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;15(4):291–297.Kositsyn S.B., Akulich V.Yu. Determination of the critical load of the loss of stability of the rod and plane models of a circular cylindrical shell interacting with the base. Construction mechanics of engineering structures and structures. 2019;15(4):291–297 (in Russian).Гумерова Х.С. Модель потери устойчивости термочувствительной оболочки вращения, полученной путем намотки. Вестник Технологического университета. 2019;22(4):122–124.Gumerova H.S. Model loss of stability of the thermosensitive shell of rotation obtained by winding. Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta = Bulletin of the Technological University. 2019;22(4):122–124 (in Russian).Рач В.А., Могильный Г.А., Малков И.В. Способ изготовления сложнопрофильных изделий из композиционных материалов методом непрерывной намотки: Патент № 2089444 C1 Российская Федерация. Опубл. 10.09.1997.Rach V.A., Mogilny G.A., Malkov I.V. Method of manufacturing composite products from composite materials by continuous winding: Patent No. 2089444 C1 Russian Federation. Publ. date 10 September 1997 (in Russian).Попова А.П. Исследование устойчивости сжатой анизотропной цилиндрической оболочки. Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2018;1(14):266–268.Popova A.P. Investigation of the stability of a compressed anisotropic cylindrical shell. Aktual’nye problemy aviatsii i kosmonavtiki [Actual problems of aviation and cosmonautics]. 2018;1(14):266–268 (in Russian).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):111–118.Rytova T.G. On the issue of loss of stability of prestressed thin-walled cylindrical shells. Vestnik Chuvashskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta im. I.Ya. Yakovleva. Seriya: Mekhanika predel’nogo sostoyaniya = Bulletin of the Yakovlev Chuvash State Pedagogical University. Series: Mechanics of Limit State. 2019;(4);111–118 (in Russian).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;37(6):1327–1331.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;37(6):1327–1331.Васильев В.В. К задаче устойчивости цилиндрической оболочки при осевом сжатии. Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2011;(2):5–15.Vasiliev V.V. To the problem of stability of a cylindrical shell under axial compression. Mechanics of Solids. 2011;46(2):161–169 (in Russian). https://doi.org/10.3103/s0025654411020026Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. Москва.: ДМК Пресс; 2013. 784 с.: ил.Rychkov S.P. Modeling of structures in the Femap environment with NX Nastran. Moscow: DMK Press Publ.; 2013 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.