تحليل الاهتزاز لألواح الساندويج ذات قلب خلية النحل باستخدام مواد مركبة مقترحة

الباحث

مصطفى سعد ايوب

المشرف

صادق حسين باخي - محسن جبر جويج

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم الهندسة الميكانيكية / الهندسة الميكانيكية

الشهادة

دكتوراه

السنة

2022

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Honeycomb sandwich panels;Vibration analysis;Composite materials;Natural frequency

تستخدم الواح الساندوج في العديد من الهياكل التي تستخدم في كثير من التطبيقات مثل التطبيقات الفضائية والبحرية والصناعية لما توفره هذه الهياكل من فوائد مثل الوزن الخفيف والقوة الجيدة وامتصاص الطاقة. تتالف هذه الهياكل بشكل أساسي من قلب محاط بطبقتين علوية وسفلية. توجه الباحثين إلى البحث عن مواد مركبة في تصنيع هذه الواح الساندوج نتيجة الطلب الواسع عليها و الذي يؤدي الى ان تخضع هذه الالواح لظروف تحميل مختلفة أثناء الخدمة. لذلك تمت دراسة استجابة الاهتزازات في هذه الاطروحة لعدد من الواح الساندوج AS yall ذات دعامات وظروف في الجزء التحليلي ، تم تطبيق نظرية Higher Order Shear Deformation Theory بنجاح لتحليل اهتزاز الواح الساندوج المركبة. تم تبسيط التحليل المطول والمعقد لهذه النظرية وتم اشتقاق أربع معادلات تفاضلية للحركة وحلها باستخدام حلول من نوع Navier و Levy واتم التحقيق في مجموعات مختلفة من الشروط الحدية. تم التحقق من صحة النموذج التحليلي المقترح من خلال مقارنته مع نموذجين آخرين في البحوث السابقة لتقييم التردد الطبيعي للاهتزاز. أظهرت النتائج ان أقصى اختلاف بين النموذج المقترح والنموذجين الآخرين هو (LE) زيادة ارتفاع قلب الساندوج وتغيير طريقة رص الطبقات وزيادة سمك الجدار أو زيادة طول الخلية من شأنه أن يزيد التردد الطبيعي للاهتزاز. أظهرت عينات الساندوج المصنعة من ألياف الكربون ترددًا طبيعيًا أعلى )+ FO هرتز) مقارنةً بعينات الساندوج المركبة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك تم تضمين تأثيرات درجة الحرارة في النموذج التحليلي المقترح وتم التحقق من صحة النتائج. لقد وجد أن خفض درجة حرارة الاختبار من YY) درجة مئوية) إلى ١5,5-( درجة مئوية) من شأنه أن يزيد التردد الطبيعي للاهتزاز حيث سجلت أعلى زيادة في التردد الطبيعي للاهتزاز لعينات الألياف الزجاجية بنسبة (5 .)/١ بالنسبة للجزء العددي ، تم إجراء تحليل العناصر المحددة على عينة خلية النحل ونماذج الفوم باستخدام ABAQUS acl، . تم استخدام النموذج العددي لاستخراج قيم التردد الطبيعي للاهتزاز لمقارنتها بالنتائج التحليلية والعملية. بالنسبة للجزء العملي ، تم تصنيع VE عينة ساندوج متعدد الطبقات باستخدام الطريقة المموجة من ألياف الكربون والألياف الزجاجية والفوم. تم تصميم جهاز جديد لاختبار الاهتزاز وتصنيعه بحيث يكون متكيف مع مجموعة واسعة من هياكل الساندوج. تم إجراء اختبارات الاهتزاز الحرء الاهتزاز القسري باستخدام المطرقة والاهتزاز القسري باستخدام shaker بالنسبة لاختبارات الاهتزاز الحرء تم ايجاد أول خمسة ترددات طبيعية للاهتزاز بشكل عملي وتم مقارنتها بالنتائج العددية. أظهرت جميع عينات الساندوج المصنعة من ألياف الكربون ترددًا طبيعيًا أعلى يبلغ Poe) هرتز) Lic كانت جميع simply supported Cl pall وقد تم حساب أقصى تفاوت بين النتائج العملية والعددية بنسبة )6 )7( تم تسجيل نسبة تخميد لعينات الساندوج ذات قلب الفوم أعلى مقارنة بقلب خلية النحل. بالنسبة لاختبارات الاهتزاز القسري ، تم تطبيق نوعين من الإثارة الخارجية على عينات الساندوج المركبة وهي الحمل النبضي بواسطة المطرقة والحمل الجيبي بواسطة shaker تم استخراج رسومات Bode لكل اختبار وتم اظهار استجابة النظام مع التخميد. لقد وجد أن ألواح الساندوج المركبة المكونة من خلية نحل مصنوعة من ألياف الكربون تمتلك ترددًا Gab أعلى من بين العينات الأخرى. من ناحية أخرى ¢ أظهرت قلب الفوم فرق طور 4s) درجة) وهو أعلى من قلب خلية النحل مما يشير إلى تحسن مقدار التخميد مقارنة بعينات خلية النحل. تم إجراء العديد من الدراسات على عوامل متغيرة للساندوج في حالة الاهتزاز الحر مثل تغيير حجم الخلية وأبعاد قلب الساندوج وأبعاد الساندوج ومقارنة نتائج التردد الطبيعي. بالنسبة لاختبارات الاهتزاز القسري ، كان تأثير زيادة تردد الإثارة من )+ هرتز) إلى ٠٠١( هرتز) على استجابة الهيكل هو زيادة دقة تردد القمة الناتج. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء اختبارات الاهتزاز الحر عند درجات حرارة منخفضة ومقارنة نتائج الترددات الطبيعية للاهتزاز مع النموذج التحليلي. GIS أقصى تفاوت بين نتائج التجارب العملية والتحليلية هو .)/٠١( تم استخدام طريقة احصائية تسمى 7072515 لاختيار الأفضل من ألواح الساندوج المركبة المصنعة. تم تضمين ستة معايير في هذه الطريقة بما في ذلك الكلفة ، ونسبة الصلابة إلى الوزن ، ونسبة القوة إلى الوزن ، والتردد الطبيعي ¢ والتخميد ، وطريقة التصنيع. تم عمل استبيان مصمم خصيصا بين عدد من الخبراء وتم استخدام الإجابة لترتيب المعايير. لقد وجد أن التركيبة المثلى لالواح الساندوج المركبة مصنوعة من ألياف الكربون للطبقتين العليا و السفلى وقلب الفوم. من جهة اخرى سجلت عينات الساندوج المصنعة من الألياف الزجاجية أدنى مستوى مقارنة بعينات ألياف الكربون عند مقارنة قوة ووزن ألياف الكربون بمواد الألياف الزجاجية.

Sandwich panels are utilized in various applications, such as aerospace, marine and industrial applications. This is because of the benefits of using such structures, including light weight, good strength and energy absorption. These structures were basically comprised of a core surrounded by a top and bottom skins. The widespread demand on sandwich structures made researchers seek for advanced materials in their manufacturing. Accordingly, sandwich panels are subjected to various loading conditions during the service. Therefore, the vibration response was studied in this thesis for a number of composite sandwich panels with different supports and loading conditions. For the analytical part, higher order shear deformation theory was applied successfully for the vibration analysis of composite sandwich panels. The lengthy and complicated analysis of the higher order shear deformation theory was simplified, and four differential equations of motion were derived and solved using Navier and Levy type solutions. Various combinations of boundary conditions were investigated. The proposed analytical model was validated by comparing it with two other models available in the literature for the evaluation of the natural frequency of vibration. The results showed a maximum discrepancy of (4%) between the proposed model and the other two models. Increasing the core height, changing the laminate layup, increasing the wall thickness or increasing the cell length would increase the natural frequency of vibration. Carbon fiber sandwich specimens manifested the higher natural frequency of (350 Hz) compared with the other combinations of composite sandwich specimens. In addition, the temperature effects were included in the proposed analytical model, and the results were validated. It has been found that decreasing the test temperature from (23oC) to (-15.5oC) would increase the natural frequency of vibration. The maximum increase in the natural frequency of vibration was recorded for glass fiber specimens by (14%). For the numerical part, a finite element analysis was performed on the honeycomb and foam core sandwich models using ABAQUS software. The numerical model was used to extract the values of the natural frequency of vibration to be compared with the analytical and experimental results. For the experimental part, twenty-four composite sandwich panels were manufactured using the corrugated method from carbon fiber, glass fiber and foam. A novel vibration test rig was designed and manufactured in the current work to adapt for a wide range of sandwich structures. Free, forced vibration using hammer and forced vibration using shaker tests were performed. For the free vibration tests, the first five natural frequencies of vibration were obtained experimentally and were compared with the numerical results. All carbon fiber sandwich specimens with all edges simply supported evinced the higher natural frequency of (350 Hz). The maximum discrepancy between the experimental and numerical results was calculated to be (10%). The highest damping ratio was recorded for foam core sandwich specimens compared with honeycomb cores. For the forced vibration tests, two kinds of input excitations were applied to the composite sandwich specimens, including impulse load by hammer and sinusoidal input by shaker. Bode plots were extracted for each test, and the system response was visualized along with damping. It has been found that the honeycomb core composite sandwich panels made of carbon fiber possessed higher natural frequency among other specimens. On the other hand, foam cores elucidated a phase difference which is (90 degrees) higher than honeycomb cores which indicates improved damping compared with honeycomb specimens. Several free vibration parametric studies were performed, such as varying the cell size, sandwich core and sandwich dimensions, and the natural frequency results were compared. For the forced vibration tests, the effect of increasing the excitation frequency from (50 Hz) to (100 Hz) was to enhance the accuracy of the resulted peak frequency. In addition, free vibration tests at lower temperatures were performed, and the results of the natural frequencies of vibration were compared with the analytical solution. The maximum discrepancy between the experimental and analytical results was (10%). Finally, a statistical approach (TOPSIS method) was utilized to choose the best combination of composite sandwich panel. Six criteria were included in this approach, including cost, stiffness to weight ratio, strength to weight ratio, natural frequency, damping, and method of manufacturing. A specially designed questionnaire was spread among a number of experts, and the response was utilized for ranking the criteria. It has been found that the optimum combination of composite sandwich panels was made of carbon fiber for the skins and foam core. However, the glass fiber sandwich specimens scored the lowest compared with carbon fiber specimens. This was obvious when comparing the strength and weight for carbon fiber with glass fiber materials.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب