Non-linear mechanical analysis of the composite overwrapped cylinder for hydraulic applications

• Autorzy: Nowak T. , Schmidt J.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amst-2013-0030

Warianty tytułu

PL

Nieliniowa analiza wytężenia cylindrów hydraulicznych wzmacnianych kompozytem polimerowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper provides a new method for an elasto-plastic analysis of stress and deformation fields in the composite overwrapped cylinder under the pressure load. The cylinder structure consisting of steel liner and composite shell was examined. The non-linear properties of the steel tube, and orthotropic properties of the composite were assumed in this analysis. The compound cylinder was checked against internal working pressure and external axial forces. The optimal design parameters of the pressurized vessel were found by analytical as well as numerical methods, and later validated in experimental measurements. It was generally found, that composite reinforcement does not contribute very much to the mechanical performance of the cylinder when the steel liner works in elastic range, but, in contrast, it provides a big support when the metal tube approaches plastic deformation. This phenomenon allows to increase the power-to-weight ratio of the pressurized vessel, what is especially important for demanding hydraulic applications.

PL

W pracy przedstawiono metodę analizy mechanicznej cylindra hydraulicznego wzmocnionego płaszczem kompozytowym. Cylinder poddano obciążeniu roboczemu wywołującemu odkształcenie sprężysto-plastyczne. W analizie uwzględniono nieliniową zależność naprężenie-odkształcenie dla tulei metalowej, natomiast dla kompozytu polimerowego założono ortotropię jego właściwości. Obciążenie robocze powoduje zarówno ciśnienie działające na wewnętrze ścianki cylindra, jak i zewnętrzna siła osiowa. Zaproponowano nową, analityczną metodę obliczeniową. Stanowi ona podstawę do optymalizowania konstrukcji cylindra: doboru materiału kompozytowego, orientacji poszczególnych warstw oraz ich grubości. Prowadzono zarówno weryfikację numeryczną metodą elementów skończonych, jak i laboratoryjną poprzez realizację opracowanego programu badań. Analiza uzyskanych wyników pozwala stwierdzić, że wzmocnienie kompozytowe nie jest znacznie obciążone, dopóki stalowa tuleja pracuje w zakresie sprężystym odkształcenia. Zwiększenie obciążenia roboczego powoduje, że naprężenie jest większe od granicy sprężystości metalu. Zwiększa się również odkształcenie plastyczne. Wówczas znaczną część obciążenia przejmuje płaszcz kompozytowy. Zjawisko to jest korzystne – umożliwia lepsze wykorzystanie materiału cylindra i jednocześnie zabezpiecza tuleję stalową przed nadmiernym obciążeniem.

Słowa kluczowe

EN

pressure vessel; composite-reinforced metal cylinders; elasto-plastic analysis

PL

zbiornik ciśnieniowy; tuleje wzmocnione powłoką kompozytową; analiza elasto-plastyczna

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN ; De Gruyter
• Czasopismo: Advances in Manufacturing Science and Technology
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 37, nr 4
• Strony: 31--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Nowak T.

• ABB Corporate Research, Cracow, Poland, Starowiślna 13A, 31-038 Kraków

autor

Schmidt J.

• Cracow University of Technology, Poland, Jana Pawła II, 31-864 Kraków

Bibliografia

• [1] R. HILL: The mathematical theory of plasticity. Clarendon Press, Oxford 1950.
• [2] A. MENDELSON: Plasticity: theory and applications. The Macmillann Company, New York 1968.
• [3] J. CHAKRABRY: Theory of plasticity. McGraw-Hill, New York 1987.
• [4] D.M. FRYER, and J.F. HARVEY: High pressure vessels, Chapman & Hill, London 1998.
• [5] D. DURBAN, and M. KUBI: A general solution for the pressurized elastoplastic tubes. Journal Appl. Mech., 59(1992), 20-26.
• [6] A.P. PARKER: Autofrettage of open end tubes – pressures, stresses, strains and code comparisons. Journal Pressure Vessel Technol., 123(2001), 271-281.
• [7] W. ZHAO, R. SESHADRI, R.N. DUBEY: On Thick-walled cylinder under internal pressure. Journal Pressure Vessel Technol., 125(2003), 267-273.
• [8] J. PERRY and J. ABOUDI: Elasto-plastic stresses in thick walled cylinders. ASME Journal Pressure Vessel Technol., 125(2003), 248-252.
• [9] G. WIDLAK: Radial return method applied in thick-walled cylinder analysis. Journal of Theor. and App. Mech., 48(2010)2, 381-395.
• [10] D. GAY, S.V. HOA, S.W. TSAI: Composite materials: design and applications. CRC Press, 2002.
• [11] R. JONES: Mechanics of composite materials, 2nd ed. CRC Press, 1998.
• [12] P.K. MALLICK: Composites engineering handbook. CRC Press, 1997.
• [13] P.D. SODEN, R. KITCHING and P.C. TSE: Experimental failure stresses for ±55° filament wound glass fiber reinforced plastic tubes under biaxial loads. Composites, 20(1989), 125-135.
• [14] J. MISTERY, A.G. GIBSON and Y-S. WU: Failure of composite cylinders under combined external pressure and axial loading. Composites Structure, 22(1992), 193-200.
• [15] M. XIA, K. KEMMOCHI and H. TAKAYANAGI: Analysis of filament-wound fiber-reinforced sandwitch pipe under combined internal pressure and thermomechanical loading. Composites Structure, 51(2001), 273-283.
• [16] M. UEMURA, and H. FUKUNAGA: Probabilistic burst strength of filament-wound cylinders under internal pressure. Journal Comp. Mater., 15(1991), 462-480.
• [17] J.M. LIFSHITZ, and H.M. DAYAN: Filament-wound pressure vessel with thick metal line. Composites Structure, 32(1995), 313-323.
• [18] P. CZARNOCKI: Interlaminar fracture toughness of selected fibre-reinforced polymer matrix composites. Advances Manufacturing Science and Technology, 34(2010)2, 47-58.
• [19] P.M. WILD, and G.W. VICKERS: Analysis of filament-wound cylindrical shells under combined centrifugal pressure and axial loading. Composites Part A, 28(1997), 47-55.

Uwagi

EN

The authors express their appreciation for support of Polish Ministry of Science and Higher Education for its financial support to this study (project NR 15005906).