Аналіз згину, вигину та зношення функціонально градуйованих в’язкопружних матеріалів: експериментальний та чисельний підходи

Автор(и)

  • Е.К. Нджім Міністерство промисловості та корисних копалин, Державна компанія гумової та шинної промисловості, Ірак
  • С.Е. Садік Технічний університет Аль-Фурат Аль-Аусат, Ірак
  • М.С. Аль-Дін Тагір Університет Імама Джафара Аль-Садіка, Ірак
  • М.А. Флайїх Університет Аль-Мустакбал, Хілла, Вавилон, Ірак
  • Л. Хаджь Університет Тіарет, Тіарет, Алжир

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.4.628-639

Ключові слова:

полімерні матеріали, механічні характеристики, зношення

Анотація

У роботі синтезовано термопластичний полімер із змінною щільністю в одному напрямку за допомогою технології адитивного виробництва для вивчення динамічних і статичних характеристик функціонально градуйованих в’язкопружних матеріалів (FGVM). Для опису механічних властивостей FGVM було запропоновано аналітичне формулювання, засноване на формулюванні сигмоподібного закону. Експериментальну частину виконували на зразках, надрукованих 3D-друком, виконуючи різні випробування, щоб перевірити ефективність таких матеріалів. Крім того, для оцінки властивостей конструкції на вигин застосовано метод скінченних елементів. Детально проаналізовано вплив параметрів FG та геометричних властивостей на тривалість навантаження при згині та зворотному вигині. Результати показують, що збільшення пористості з 10% до 30% при степеневому індексі (k = 2) зменшує міцність на вигин на 31,25 відсотка та прогин приблизно на 11,2 відсотка для зразків VE. Зміна показника степеневого закону від 0,5 до 10 збільшує витримку на міцність на 35 %.

Посилання

M. Al-Waily, H. Raad & E.K. Njim, Free Vibration Analysis of Sandwich Plate-Reinforced Foam Core Adopting Micro Aluminum Powder, In Physics and Chemistry of Solid State, 23(4), 659 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.659-668.

A. Garg, M.-O. Belarbi, H.D. Chalak & A. Chakrabarti, A review of the analysis of sandwich FGM structures, In Composite Structures, 258, 113427 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113427.

P.S.Ghatage, V.R. Kar & P.E. Sudhagar, On the numerical modelling and analysis of multi-directional functionally graded composite structures: A review, In Composite Structures, 236, 111837(2020) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111837.

B. Adhikari, P. Dash & B.N. Singh, (2020). Buckling analysis of porous FGM sandwich plates under various types nonuniform edge compression based on higher order shear deformation theory, In Composite Structures 251, 112597(2020) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112597

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); http://dx.doi.org/10.6180/jase.202204_25(2).0010.

M. Dhuria, N. Grover & K. Goyal, Influence of porosity distribution on static and buckling responses of porous functionally graded plates, In Structures, 34, 1458 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.08.050.

N. Movahedi, M. Vesenjak, L. Krstulović-Opara, I.V. Belova, G.E. Murch, & T. Fiedler, (2021). Dynamic compression of functionally-graded metal syntactic foams, In Composite Structures, 261, 113308 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113308.

Z. Yin, H. Gao, & G. Lin, Bending and free vibration analysis of functionally graded plates made of porous materials according to a novel the semi-analytical method, In Engineering Analysis with Boundary Elements 133, 185(2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2021.09.006.

A.J. Ariza Gomez, M. Caire, L.C.A.R. Torres & M.A. Vaz, Bend stiffener linear viscoelastic thermo-mechanical analysis. Part I - Experimental characterization and mathematical formulation, In Marine Structures 77, 102946 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2021.102946.

M. Lezgy-Nazargah, P. Vidal, & O. Polit, An efficient finite element model for static and dynamic analyses of functionally graded piezoelectric beams. In Composite Structures, 104, 71 (2013) Elsevier BV. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.04.010.

M. Li, C. Guedes Soares & R. Yan, A novel shear deformation theory for static analysis of functionally graded plates. In Composite Structures, 250, 112559 (2020) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112559.

J.P. Pascon, Large deformation analysis of functionally graded visco-hyperelastic materials, In Computers & Structures, 206, 90 (2018) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2018.06.001.

Q. Zang, J. Liu, W. Ye, F. Yang, C. Hao & G. Lin, Static and free vibration analyses of functionally graded plates based on an isogeometric scaled boundary finite element method. In Composite Structures, 288, 115398 (2022) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115398.

S.V. Kuteneva, S.V. Gladkovsky, D.I. Vichuzhanin, & P.D. Nedzvetsky, Microstructure and properties of layered metal/rubber composites subjected to cyclic and impact loading, In Composite Structures, 285, 115078 (2022) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115078.

S. Chen, B. Tai, & J. Wang, An experimental study of 3D printing based viscoelastic bimaterial subjected to low-velocity impact, In Mechanics of Materials, 176, 104508 (2023), Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2022.104508.

K. Koutoati, F. Mohri, E.M. Daya, & E. Carrera, A finite element approach for the static and vibration analyses of functionally graded material viscoelastic sandwich beams with nonlinear material behavior, In Composite Structures, 274, 114315 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114315.

A.M. Zenkour, M.N.M Allam, & M. Sobhy, Bending analysis of FG viscoelastic sandwich beams with elastic cores resting on Pasternak’s elastic foundations, In Acta Mechanica, 212(3–4), 233 (2009) Springer Science and Business Media LLC; https://doi.org/10.1007/s00707-009-0252-6.

F.I. Stepanov, & E.V. Torskaya, Modeling of Fatigue Wear of Viscoelastic Coatings, In Materials, 14(21), 6513 (2021) MDPI AG; https://doi.org/10.3390/ma14216513.

J.P. Pascon, Large deformation analysis of functionally graded visco-hyperelastic materials. In Computers & Structures, 206, 90 (2018) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2018.06.001.

S.-Q. Zhang, Z.-T. Huang, Y.-F. Zhao, S.-S. Ying, & S.-Y. Ma, Static and dynamic analyses of FGPM cylindrical shells with quadratic thermal gradient distribution, In Composite Structure, 277, 114658 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114658.

P. Van Vinh, Static bending analysis of functionally graded sandwich beams using a novel mixed beam element based on first-order shear deformation theory, In Forces in Mechanics, 4, 100039 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.finmec.2021.100039.

Q.-H. Pham, & P.-C. Nguyen, Dynamic stability analysis of porous functionally graded microplates using a refined isogeometric approach. In Composite Structures, 284, 115086 (2022) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.115086.

L. Wang, Y. Liu, Y. Zhou, & F. Yang, Static and dynamic analysis of thin functionally graded shell with in-plane material inhomogeneity, In International Journal of Mechanical Sciences, 193, 106165 (2021) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.106165.

S.Dastjerdi, B. Akgöz, & Ö. Civalek, Viscoelasticity in Large Deformation Analysis of Hyperelastic Structures, In Materials, 15(23), 8425 (2022) MDPI AG; https://doi.org/10.3390/ma15238425.

R. Edouard, H. Chibane, & D. Cavallucci, New characterizing method of a 3D parametric lattice structure. In FME Transactions, 49(4), 894 (2021) Centre for Evaluation in Education and Science (CEON/CEES); https://doi.org/10.5937/fme2104894e

Z.M.R. Al-Hadrayi, A.N. Al-Khazraji, & A.A. Shandookh, Investigation of Fatigue Behavior for Al/Zn Functionally Graded Material, In Materials Science Forum, 1079, 49 (2022); https://doi.org/10.4028/p-8umjs.

K.N. Emad, H.S. Bakhy, and M. Al-Waily, Analytical and numerical free vibration analysis of porous functionally graded materials (FGPMs) sandwich plate using Rayleigh-Ritz method, Archives of Materials Science and Engineering, 110(1), 27 (2021); https://doi.org/10.5604/01.3001.0015.3593.

E.K. Njim, S.H. Bakhy, & M. Al-Waily, Analytical and Numerical Investigation of Free Vibration Behavior for Sandwich Plate with Functionally Graded Porous Metal Core, In Pertanika Journal of Science and Technology, 29(3), (2021); https://doi.org/10.47836/pjst.29.3.39.

A.F. Ávila, Failure mode investigation of sandwich beams with functionally graded core, In Composite Structures, 81(3), 323 (2007) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2006.08.030.

ASTM D638: standard test method for tensile properties of plastics, Annual Book of ASTM Standards, American Society of Testing and Materials, West Conshohocken, 2014.

E.K. Njim, S.H. Bakhy, & 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, 91-106 (2022).

C. Tang, J. Liu, Y. Yang, Y. Liu, S. Jiang, & W. Hao, Effect of process parameters on mechanical properties of 3D printed PLA lattice structures. In Composites Part C: Open Access, 3, 100076 (2020) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2020.10007.

ASTM D790: Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials, ASTM International, West Conshohocken, Pa, United States, 2014.

N. P. Roberts, and Nigel R. Hart: Alternating Bending Fatigue Machine (HSM20), Instruction Manual, Hi-Tech Ltd. UK., 2001.

J. K. Oleiwi, N. D. Fahad, M. M. Abdulridha, et al., Laser Treatment Effect on Fatigue Characterizations for Steel Alloy Beam Coated with Nanoparticles, International Journal of Nanoelectronics and Materials, 16, 105-119, (2023).

E. K. Njim, S. H. Bakhy, 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.A. Deepak, & R.A. Shetty, Static and free vibration analysis of functionally graded rectangular plates using ANSYS, In Materials Today: Proceedings, 45, 415 (2021), Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.761.

A. Sahu, N. Pradhan, & S.K. Sarangi, Static and Dynamic Analysis of Smart Functionally Graded Beams. In Materials Today: Proceedings, 24, 1618(2020) Elsevier BV; https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.483.

E.K. Njim, S.H. Bakhy, M. Al-Waily, Analytical and numerical flexural properties of polymeric porous functionally graded (PFGM) sandwich beams, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 110 (1), 5-15 (2022); https://doi.org/10.5604/01.3001.0015.7026.

F.K. Arndt, and M.D. Lechner, Polymer Solids and Polymer Melts–Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 6A3 2014.

M.D. Do, M.T. Tran, & H.C. Truong, Bending Analysis of Sandwich Beam with Functionally Graded Face Sheets Using Various Beam Theories by Meshfree Method, In Kalpa Publications in Engineering. Proceedings of International Symposium on Applied Science 3, 139-149 (2020); https://doi.org/10.29007/9nvf.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-11-20

Як цитувати

Нджім, Е., Садік, С., Тагір, М. А.-Д., Флайїх, М., & Хаджь, Л. (2023). Аналіз згину, вигину та зношення функціонально градуйованих в’язкопружних матеріалів: експериментальний та чисельний підходи. Фізика і хімія твердого тіла, 24(4), 628–639. https://doi.org/10.15330/pcss.24.4.628-639

Номер

Розділ

Технічні науки