Free Vibration Analysis of Composite Cylindrical Shell Reinforced with Silicon Nano-Particles: Analytical and FEM Approach

М.Дж. Джвіг; Е.К. Нжім; О.С. Абдулла; М.А. Аль-Шаммарі; М. Аль-Вайлі; С.Х. Бахі

doi:10.15330/pcss.24.1.26-33

Автор(и)

М.Дж. Джвіг Університет Аль-Фарахіді, Технічний інженерний коледж, Ірак
Е.К. Нжім Міністерство промисловості та корисних копалин, Державна компанія гумової та шинної промисловості, Ірак
О.С. Абдулла Факультет машинобудування, Технологічний університет, Ірак
М.А. Аль-Шаммарі Інженерний коледж Багдадського університету, факультет машинобудування, Ірак
М. Аль-Вайлі Кафедра машинобудування, інженерний факультет, Університет Куфи, Ірак
С.Х. Бахі Факультет машинобудування, Технологічний університет, Ірак

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.26-33

Ключові слова:

вібрація оболонки, нанокремнезем, вібрація кремнеземної оболонки, композитна оболонка, нанокомпозит

Анотація

Попередні дослідження показали вплив наноматеріалів на механічні властивості композитних матеріалів з ефектами різних фракцій по об’єму; крім того, дослідження продемонстрували вплив наноматеріалів на такі механічні характеристики композитної пластинчастої структури, як коливання та термічна поведінка. Таким чином, механічні властивості та поведінка модифікуються на високі значення за рахунок зміцнення з низькою кількістю для наноматеріалів, яка не перевищує приблизно (3%). Завдання дослідження є встановлення модифікації вібраційних характеристик конструкції з ефектом наноматеріалів і вивчення впливу інших типів армованих наночастинок на характеристики. Наночастинки кремнію обрані для дослідження їх впливу на вібраційну поведінку оболонкової структури. Таким чином, робота включала використання експериментальної методики випробування конструкції оболонки за допомогою вібромашини для вивчення вібраційної поведінки. Після виготовлення оболонки з композитного матеріалу із різними об’ємними частками наночастинок кремнію оцінювали механічні властивості. Використовуючи чисельну техніку, зокрема, метод скінченних елементів за допомогою середовища Ansys, виконано оцінку вібраційної поведінки конструкції оболонки та здійснено порівняння результатів. Порівняння дало прийнятну відсоткову похибку, що не перевищує 10,93%. Оцінені результати показали, що модифікація кремнієвими наноматеріалами дала дуже хороші результати, оскільки наноматеріали покращили приблизно 65% механічних властивостей оболонки та вібраційні характеристики.

Посилання

K. N. Emad, H. S. Bakhy, and M. Al-Waily, Analytical and Numerical Investigation of Buckling Behavior of Functionally Graded Sandwich Plate with Porous Core, Journal of Applied Science and Engineering, 25( 2), 339 (2022).

G.Lin, F. Li, Q. Zhang, P. Chen, W. Sun, I. Saikov, V. Shcherbakov, & M. Alymov, Dynamic instability of fiber composite cylindrical shell with metal liner subjected to internal pulse loading, Composite Structures, 280, (2022); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114906.

A. Melaibari, A.A. Daikh, M. Basha, A. Wagih, R. Othman, K.H. Almitani, M.A. Hamed, A. Abdelrahman, M.A. Eltaher, A Dynamic Analysis of Randomly Oriented Functionally Graded Carbon Nanotubes/Fiber-Reinforced Composite Laminated Shells with Different Geometries, Mathematics, 10, 408, (2022); https://doi.org/10.3390/math10030408.

M. Q. Wu, W. Zhang, & Y. Niu, Experimental and numerical studies on nonlinear vibrations and dynamic snap-through phenomena of bistable asymmetric composite laminated shallow shell under center foundation excitation, European Journal of Mechanics - A/Solids, 89, 2021; https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2021.104303.

H. Bisheh, N.Wu, & T. Rabczuk, Free vibration analysis of smart laminated carbon nanotube-reinforced composite cylindrical shells with various boundary conditions in hygrothermal environments, Thin-Walled Structures 149, 106500 (2020); https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106500.

Thakur, S. Nath & C. Ray, Static and free vibration analyses of moderately thick hyperbolic paraboloidal cross ply laminated composite shell structure, Structures, 32, 876 (2021); https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.03.066.

X. Miao, C. Li, & Y. Jiang, Free vibration analysis of metal-ceramic matrix composite laminated cylindrical shell reinforced by CNTs, Composite Structures, 260, (2021); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113262.

A. Talezadehlari, Free vibration analysis of perforated composite cylindrical shell and panel using multi-domain generalized differential quadrature (GDQ) method, Composite Structures, 287, 115337 (2022); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115337.

Y. Zhang, & D. Shi, Vibration analysis of laminated composite coupled double cylindrical shell-annular-rectangular plate system, Composite Structures, 281, (2022); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115020.

E. Sobhani, A. R. Masoodi, & A. R. Ahmadi-Pari, Vibration of FG-CNT and FG-GNP sandwich composite coupled Conical-Cylindrical-Conical shell, Composite Structures, 273, (2021); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114281.

C. Guo, T. Liu, Q. Wang, B. Qin, & A. Wang, A unified strong spectral Tchebychev solution for predicting the free vibration characteristics of cylindrical shells with stepped-thickness and internal–external stiffeners, Thin-Walled Structures, 168, (2021); https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.108307.

A. A. Hamzah, H. K. Jobair, O. I. Abdullah, E. T. Hashim, & L. A. Sabri, An investigation of dynamic behavior of the cylindrical shells under thermal effect, In Case Studies in Thermal Engineering, 12, 537 (2018); https://doi.org/10.1016/j.csite.2018.07.007.

H. Li, G. Cong, L. Li, F. Pang, & J. Lang,. A semi analytical solution for free vibration analysis of combined spherical and cylindrical shells with non-uniform thickness based on Ritz method, Thin-Walled Structures, 145, (2019); https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106443.

H. Li, F. Pang, X. Miao, S. Gao, & F. Liu, A semi analytical method for free vibration analysis of composite laminated cylindrical and spherical shells with complex boundary conditions, Thin-Walled Structures, 136, 200 (2019); https://doi.org/10.1016/j.tws.2018.12.009.

Z. Qin, X. Pang, B. Safaei, & F. Chu, Free vibration analysis of rotating functionally graded CNT reinforced composite cylindrical shells with arbitrary boundary conditions, Composite Structures, 220, 847 (2019); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.04.046.

M. Azmi, R. Kolahchi, M.R. Bidgoli, Dynamic analysis of concrete column reinforced with Sio2 nanoparticles subjected to blast load, Advances in Concrete Construction, 7(1), 51 (2019).

Li Xiao, Parametric resonances of rotating composite laminated nonlinear cylindrical shells under periodic axial loads and hygrothermal environment, Composite Structures, 255, (2021); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112887.

M. Zarei, G.H. Rahimi, M. Hemmatnezhad, On the free vibrations of joined grid-stiffened composite conical-cylindrical shells, Thin-Walled Structures, 161, (2021); https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.107465.

K. Kim, Y. Jon, K. An, S. Kwak, & Y. Han, A solution method for free vibration analysis of coupled laminated composite elliptical-cylindrical-elliptical shell with elastic boundary conditions, Journal of Ocean Engineering and Science, 7(2), 112 (2022); https://doi.org/10.1016/j.joes.2021.07.005.

G. Sciascia, V. Oliveri, & P. M. Weaver, Dynamic analysis of prestressed variable stiffness composite shell structures, Thin-Walled Structures, 175, (2022); https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109193.

D3039/D03039M, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, ASTM International, (2000)

E. Njim, S.Bakhi, & M.Al-Waily, Free vibration analysis of imperfect functionally graded sandwich plates: analytical and experimental investigation, Archives of Materials Science and Engineering, 111/2 49 (2021); https://doi.org/10.5604/01.3001.0015.5805.

S. E. Sadiq, M. J. Jweeg, and S. H. Bakhy, Strength analysis of aircraft sandwich structure with a honeycomb core: Theoretical and Experimental Approaches, Engineering and Technology Journal, 39, 153 (2021).

J. Jweeg, M., I. Mohammed, A., & S. Jabbar, M., Investigation of Thickness Distribution Variation in Deep Drawing of Conical Steel Products, Engineering and Technology Journal, 39, 4A, 586 (2021); https://doi.org/10.30684/etj.v39i4A.1908

E. Njim, S. Bakhi, & M. Al-Waily, Experimental and Numerical Flexural Properties of Sandwich Structure with Functionally Graded Porous Materials, Engineering and Technology Journal, 40, 1, 137 (2022); https://doi.org/10.30684/etj.v40i1.2184.

E. Njim, S. Bakhi, & M. Al-Waily, Experimental and numerical flexural analysis of porous functionally graded beams reinforced by (Al/Al2O3) nanoparticles, International Journal of Nanoelectronics and Materials, 15(2), 91 (2022).