Numerical simulation of the process manufacture of large-scale composite shell taking into account thermo viscoelastic
The aim of this work is to obtain the evolution of contact pressure on the surface of the forming mandrel during the manufacture of large-scale composite shells by continuous winding. A numerical analogue of a real structure is built in the form of a system of assembly equipment, a forming mandrel and a shell. Effective viscoelastic characteristics for the shell material are obtained on the basis of experimental data and the concept of multilevel modeling. A series of computational experiments has been carried out to verify the model of thermoviscoelastic behavior of a composite material; the model is a combination of anisotropic elastic behavior of a medium with one independent viscoelastic operator. It has been found that, at the stage of winding, the influence of the behavior model of the shell material is not significant because viscoelasticity of the mandrel material makes the greatest contribution to the reduction of the contact pressure on the mandrel surface. Based on the data obtained, a conclusion is made that it is advisable and important to take into account the rheological properties not only of the material of the forming mandrel but also of the multilayer shell. The methods of finite element analysis presented in the work and the computational modules and programs implemented on their basis, as well as the calculation results, are of great practical importance for automating the process of predicting the evolution of the stress-strain state at the technological stages of manufacturing structures of the mandrel-shell type. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Keywords
thermoviscoelasticity,
continuous winding method,
laminated composite material,
multilevel modeling,
Prony series,
Williams-Landel-Ferry shift functionAuthors
| Sakhabutdinova Lyaysan R. | Perm National Research Polytechnic University | lyaysans@list.ru |
| Smetannikov Oleg Yu. | Perm National Research Polytechnic University | vmm@pstu.ru |
| Il’inykh Gleb V. | Perm National Research Polytechnic University | ilinykh.pnipu@yandex.ru |
Всего: 3
References
Chang-Uk Kim, Jung-il Song. Development of lightweight fiber-reinforced composite pins for heavy load long pitch roller chains // Composite Structures. 2020. V. 236. Art. 111839. doi: 10.1016/j.compstruct.2019.111839
Адамов А.А., Каменских А.А., Панькова А.П. Численный анализ геометрической конфи гурации сферической опорной части с антифрикционной прослойкой из разных материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 4. С. 15-26.
Донецкий К.И., Быстрикова Д.В., Караваев Р.Ю., Тимошков П.Н. Полимерные компо зиционные материалы для создания элементов трансмиссий авиационной техники (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 3 (87). С. 82-93. doi: 10.18577/2307-6046-2020-0-3-82-93
Sebaey T.A. Design of Oil and Gas Composite Pipes for Energy Production // Energy Procedia. 2019. V. 162. P. 146-155.
Benea L., Simionescu N., Mardare L. The effect of polymeric protective layers and the immer sion time on the corrosion behavior of naval steel in natural seawater // Journal of Materials Research and Technology. 2020. V. 9 (6). P. 13174-13184.
Changliang Lai, Yang Hu, Qing Zheng, Hualin Fan. All-composite flanges for anisogrid lattice-core sandwich panels to bear stretching load // Composites Communications. 2020. V. 19. P. 189-193.
Lei Zu, Hui Xu, Huabi Wang, Bing Zhang, Bin Zi. Design and analysis of filament-wound composite pressure vessels based on non-geodesic winding // Composite Structures. 2019. V. 207. P. 41-52.
Сироткин О.С., Боголюбов В.С., Малков И.В., Сыровой Г.В. Формообразование намот кой корпусных конструкций ЛА сложной формы из композиционных материалов // Авиационная промышленность. 2016. № 4. С. 29-35.
Воробей В.В., Евстратов С.В. Новые направления в современной технологии намотки конструкций из композиционных материалов // Вестник МАИ. 2009. Т. 16, № 1. С. 6172.
Русаков И.Ю., Софронов В.Л. Основы конструирования и расчета элементов оборудования отрасли : учеб. пособие. Северск : Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2018. 271 с.
Зуев А.С., Емашев А.Ю., Шайдурова Г.И. Анализ особенностей изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методом намотки. Формообразующие оправки // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2018. № 3. С. 4 doi: 10.18698/0236-3941-2018-3-4-13
Кожанов Д.А., Любимов А.К. Моделирование гибких тканых композитов в системе ANSYS MECHANICAL APDL // Компьютерные исследования и моделирование. 2018. Т. 10, № 6. С. 789-799. doi: 10.20537/2076-7633-2018-10-6-789-799
Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988. 272 с.
Антонов В.И. Начальные напряжения в анизотропном неоднородном цилиндре, образованном намоткой // Вестник МГСУ. 2010. № 4. С. 28-33.
Захарычев С.П., Иванов В.А., Отмахов Д.В., Авдеев В.А. Влияние технологических условий намотки на свойства полимерных композиционных материалов // Вестник ТОГУ. 2010. № 1 (16). С. 55-64.
Янковский А.П. Моделирование линейно-термовязкоупругого поведения композитов с пространственной структурой армирования // Конструкции из композиционных материалов. 2016. № 2. С. 3-14.
Бабушкин А.В., Вильдеман В.Э., Лобанов Д.С. Испытания на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальных и повышенных температурах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76, № 7. С. 57-59.
Суходоева А.А. Совместное деформирование оправки и композиционной оболочки при силовой намотке // Вестник ПГТУ. Вычислительная математика и механика. 2000. С. 52-55.
Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. М. : Высшая школа, 1982. Ч. 2. 304 с.
Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М. : Наука, 1977. 416 с.
Слетова А.А., Лобанов Д.С., Вильдеман В.Э., Сметанников О.Ю. Экспериментальное изучение температурных зависимостей прочностных и упругих характеристик и реологического поведения образцов песчано-полимерной композиции при сжатии // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. 2018. Т. 1. С. 272-276.
Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязко-упругости. М. : Наука, 1970. 281 с.
Otero J.A., Rodriguez-Ramos R., Guinovart-Diaz R. et al. Asymptotic and numerical homogenization methods applied to fibrous viscoelastic composites using Prony’s series // Acta Mech. 2020. V. 231. P. 2761-2771. doi: 10.1007/s00707-020-02671-1
Bednarcyk B.A., Stier B., Simon J-W., Reese S., Pineda E.J. Meso- and micro-scale modeling of damage in plain weave composites // Composite Structures. 2015. V. 121. P. 258-270. doi: 10.1016/J.COMPSTRUCT.2014.11.013
Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1984. 336 с.
Куликов Р.Г., Труфанов Н.А. Применение итерационного метода к решению задачи деформирования однонаправленного композиционного материала с нелинейновязкоупругим связующим // Вычислительная механика сплошных сред. 2011. Т. 4, № 2. С. 61-71.
Сметанников О.Ю., Труфанов Н.А. Численный анализ технологических и остаточных напряжений в стеклующихся телах // Вычислительная механика сплошных сред. 2008. Т. 1, № 1. С. 92-107.
