Buckling Analysis of Composite Cylindrical Shells Reinforced by Carbon Nanotubes

• Autorzy: Jam J. E. , Asadi E.

Identyfikatory

DOI

10.2478/v10180-012-0022-1

Warianty tytułu

PL

Analiza wyboczenia cylindrycznych powłok kompozytowych wzmocnionych nanorurkami węglowymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, the authors investigate a cylindrical shell reinforced by carbon nanotubes. The critical buckling load is calculated using analytical method when it is subjected to compressive axial load. The Mori-Tanaka method is firstly utilized to estimate the effective elastic modulus of composites having aligned oriented straight CNTs. The eigenvalues of the problem are obtained by means of an analytical approach based on the optimized Rayleigh-Ritz method. There is presented a study on the effects of CNTs volume fraction, thickness and aspect ratio of the shell, CNTs orientation angle, and the type of supports on the buckling load of cylindrical shells. Furthermore the effect of CNTs agglomeration is investigated when CNTs are dispersed none uniformly in the polymer matrix. It is shown that when the CNTs are arranged in 90 degrees direction, the highest critical buckling load appears. Also, the results are plotted for different longitudinal and circumferential mode numbers. There is a specific value for aspect ratio of the cylinder that minimizes the buckling load. The results reveal that for very low CNTs volume fractions, the volume fraction of inclusions has no important effect on the critical buckling load.

PL

W artykule przedstawiono badania powłoki cylindrycznej wzmocnionej nanorurkami węglowymi (Carbon Nanotubes – CNT). Krytyczne obciążenie wyboczenia obliczono analitycznie dla przypadku osiowego obciążenia ściskającego. Metodę Mori-Tanaki wykorzystano przede wszystkim w celu estymacji efektywnego modułu sprężystości kompozytów wzmocnionych prostymi rurkami CNT o orientacji równoległej. Wartości własne problemu wyznaczono stosując podejście analityczne oparte na zoptymalizowanej metodzie Rayleigha-Ritza. Zaprezentowano studium dotyczące wpływu udziału objetościowego nanorurek CNT, grubości i współczynnika kształtu powłoki, kąta orientacji nanorurek CNT i typu podparcia powłoki cylindrycznej przy obciążeniu krytycznym przy wyboczeniu. Ponadto, zbadano efekt aglomeracji nanorurek CNT dla przypadku, gdy rurki są nierównomiernie rozproszone w osnowie polimerowej. Pokazano, że gdy nanorurki są ustawione pod kątem 90 stopni obciążenie krytyczne wyboczenia jest największe. Ponadto, przedstawiono wykresy wyników dla różnych liczb modów osiowych i obwodowych. Istnieje określona wartość współczynnika kształtu, przy której obciążenie wyboczenia jest minimalne. Uzyskane wyniki pokazują, że przy bardzo niskim udziale objętościowym nanorurek CNT procentowa zawartość wtrąceń nie ma istotnego wpływu na obciążenie krytyczne przy wyboczeniu.

Słowa kluczowe

EN

buckling; cylindrical shell; composite; carbon nanotube; Rayleigh-Ritz method

PL

wyboczenie; powłoka cylindryczna; kompozyt; nanorurka węglowa; metoda Rayleigha-Ritza

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. LIX, nr 4
• Strony: 413--434
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Jam J. E.

• Composite Materials and Technology Center, Tehran, Iran

autor

Asadi E.

• Composite Materials and Technology Center, Tehran, Iran

Bibliografia

• [1] Esawi A.M.K., Farag M.M.: Carbon nanotube reinforced composites – Potential and current challenges. Materials and Design, 2007, Vol. 28, pp. 2394-2401.
• [2] Qian D., Wagner G.J., Liu W.K., Yu M.F., Ruoff R.S.: Mechanics of Carbon Nanotubes. Applied Mechanics Reviews, 2002, Vol. 55, pp. 495-533.
• [3] Kalamkarov A.L., Georgiades A.V., Rokkam S.K., Veedu V.P., Ghasemi-Nejhad M.N.: Analytical and numerical techniques to predict carbon nanotubes properties. International Journal of Solids and Structures, 2006, Vol. 43, pp. 6832-6854.
• [4] Saether E., Frankland S.J.V., Pipes R.B.: Transverse mechanical properties of single-walled carbon nanotube crystals – Part I: determination of elastic moduli. Composites Science and Technology, 2003, Vol. 63, pp. 1543-1550.
• [5] Salehi-Khojin A., Jalili N.: A comprehensive model for load transfer in nanotube reinforced piezoelectric polymeric composites subjected to electro-thermo-mechanical loadings. International Journal of Composites, 2008, Vol. 39, Part B, pp. 986-998.
• [6] Giannopoulos G.I., Georgantzinos S.K., Anifantis N.K.: A semi-continuum finite element approach to evaluate the Young’s modulus of single-walled carbon nanotube reinforced composites. International Journal of Composites, 2010, Vol. 41, Part B, pp. 594-601.
• [7] Davis D.C., Wilkerson J.W., Zhu J., Hadjiev V.G.: A strategy for improving mechanical properties of a fiber reinforced epoxy composite using functionalized carbon nanotubes. Composites Science and Technology, 2011, Vol. 71, pp. 1089-1097.
• [8] Maghamikia Sh., Jam J.E.: The Effect of Interfacial Bonding on the Elastic Property of Carbon Nanotube-Reinforced Composite. POLYMER COMPOSITES, 2011, Vol. 32, pp. 1734-1740.
• [9] Shao L.H., Luo R.Y., Bai S.L., Wang J.: Prediction of effective moduli of carbon nanotube-reinforced composites with waviness and debonding. Composite Structures, 2009, Vol. 87, pp. 274-281.
• [10] Hilburger M.W., Starnes J.H.J.: Buckling behavior of compression-loaded composite cylindrical shells with reinforced cutouts. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2005, Vol. 40, Issue 7, pp. 1005-1021.
• [11] Dong L., Mistry J.: An experimental study of the failure of composite cylinders subjected to combined external pressure and axial compression. Composite Structures, 1998, Vol. 40, No. 1. pp. 81-94.
• [12] Meyer-Piening H.-R., Farshad M., Geler B., Zimmermann R.: Buckling loads of CFRP composite cylinders under combined axial and torsion loading- experiments and computations. Composite Structures, 2001, Vol. 53, pp. 427-435.
• [13] Elghazouli A.Y., Chryssanthopoulos M.K., Spagnoli A.: Experimental response of glass-reinforced plastic cylinders under axial compression. Marine Structures, 1998, Vol. 11, pp. 347-371.
• [14] Spagnoli A., Elghazouli A.Y., Chryssanthopoulos M.K.: Numerical simulation of glass-reinforced plastic cylinders under axial compression. Marine Structures, 2001, Vol. 14, pp. 353-347.
• [15] Topal U.: Multiobjective optimization of laminated composite cylindrical shells for maximum frequency and buckling load. Materials & Design, 2009, Vol. 30, Issue 7, pp. 2584-2594.
• [16] Chryssanthopoulos M.K., Elghazouli A.Y., Esong I.E.: Validation of FE models for buckling analysis of woven GFRP shells. Composite Structures, 2000, Vol. 49, pp. 355-367.
• [17] Jam J.E., Maghamikia Sh.: Elastic buckling of composite plate reinforced with carbon nanotubes. International Journal of Engineering Science and Technology, 2011, Vol. 3, pp. 4090-4101.
• [18] Maghamikia Sh., Jam J.E.: Buckling analysis of circular and annular composite plates reinforced with carbon nanotubes using FEM. Journal of Mechanical Science and Technology, 2011, Vol. 25, pp. 2805-10.
• [19] Jam J.E., Kia S.M., Pour A.G., Emdadi M.: Elastic Buckling of Circular Annular Plate Reinforced With Carbon Nanotubes. Polymer Composites, 2011, doi: 10.1002/pc.21103.
• [20] Matsunaga H.: Vibration and buckling of cross-ply laminated composite circular cylindrical shells according to a global higher-order theory. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 49, Issue 9, pp. 1060-1075.
• [21] Tan H., Huang Y., Liu C., Geubelle P.H.: The Mori-Tanaka method for composite materials with nonlinear interface debonding. International Journal of Plasticity, 2005, Vol. 21, Issue 10, pp. 1890-1918.
• [22] Kollar L.P., Springer G.S.: Mechanics of composite structures. New York, Cambridge University Press, 2003.
• [23] Shi D.L., Feng X.Q., Huang Y.Y., Hwang K.C., Gao H.: The effect of nanotube waviness and agglomeration on the elastic property of carbon nanotube reinforced composites. Journal of Engineering Materials and Technology, 2004, Vol. 126, No. 3, pp. 250-258.
• [24] Popov V.N., Dorena V.E., Balkanskib M.: Elastic properties of crystals of single-walled carbon nanotubes. Solid State Communications., 2000, Vol. 114, pp. 395-399.
• [25] Vinson J.R.: The Behavior of Thin Walled Structures, Beams, Plates and Shells, Netherlands, Kluwer Academic, 1989.
• [26] Simitses G.J.: An introduction to elastic Stability of Structures. New York, Prentice – Hall, 1976.
• [27] Reddy J.N.: Theory and analysis of elastic plate and shells, Second edition, USA, CRC PRESS (Taylor and Francis), 2007.
• [28] Wuite J., Adali S.: Deflection and stress behaviour of nanocomposite reinforced beams using a multiscale analysis. Composite Structures, 2005, Vol. 71, pp. 388-396.