Numeryczna analiza odkształcalności płyt kompozytowych wykorzystywanych do budowy przewodów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych

• Autorzy: Kegler Krzysztof , Cichowicz Robert , Kamiński Marcin

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2024.6.5

Warianty tytułu

EN

Numerical deformability analysis of composite panels used for construction of ventilation and air-conditioning ducts

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono zagadnienie symulacji numerycznych z wykorzystaniem oprogramowania ANSYS do badania deformacji przewodów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych z materiałów kompozytowych. Omówiono zastosowanie Metody Elementów Skończonych do nieliniowej analizy deformacji takich przewodów z wykorzystaniem elementów skończonych dla trójwymiarowego stanu naprężenia. Zaproponowaną symulację numeryczną wywzorcowano za pomocą uprzednio wykonanych badań eksperymentalnych, w których testowano płyty wielowarstwowe stosowane w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Dzięki przeprowadzonej analizie uzyskano efektywny model numeryczny, który może posłużyć do optymalizacji stosowanych rozwiązań, a także projektowania wzmocnień w postaci taśm kompozytowych, które pozwolą na znaczące zwiększenie wytrzymałości istniejących rozwiązań z jednoczesnym zachowaniem najważniejszych zalet przewodów kompozytowych.

EN

This article presents the numerical simulations using ANSYS software to analyze deformation of the ventilation and air-conditioning ducts made of composite materials. The application of the Finite Element Method for nonlinear static analysis of deformation of such systems with 3D brick finite elements has been discussed. The proposed numerical simulation has been calibrated with the previous laboratory experiments, in which multilayer composite plates used in ventilation and air-conditioning systems have been examined. The efficient numerical model, that has been established thanks to this comparison, may serve in the future to optimize the existing engineering solutions. It could also be efficient in strengthening of the existing ducts with the composite strips. This will enable a remarkable increase of the ducts strength and reliability with preservation of the most important pros of these ducts.

Słowa kluczowe

PL

Metoda Elementów Skończonych; kompozyt warstwowy

EN

Finite Element Method; laminar composite

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 6
• Strony: 30--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 48 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kegler Krzysztof

• Instytut Inżynierii Środowiska i Instalacji Budowlanych, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Politechnika Łódzka

• https://orcid.org/0000-0003-3713-5542

autor

Cichowicz Robert

• Instytut Inżynierii Środowiska i Instalacji Budowlanych, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Politechnika Łódzka

• https://orcid.org/0000-0003-3233-2838

autor

Kamiński Marcin

• Katedra Mechaniki Konstrukcji, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Politechnika Łódzka

• https://orcid.org/0000-0002-8180-6991

Bibliografia

• [1] Adams, V., Askenazi, A. Building better products with finite element analysis. OnWord Press, Santa Fe, 1998.
• [2] Altenbach, H., Altenbach, J., Kissing, W. Mechanics of composite structural elements. Springer, 2004.
• [3] Bathe, K. J. Finite element procedures. Prentice-Hall, Inc., New Jersey 1996.
• [4] Baza danych materiałowych ANSYS GRANTA.
• [5] Becker, A. Introductory guide to finite element analysis. ASME Press, 2003.
• [6] Bielski, J. Wprowadzenie do inżynierskich zastosowań MES. Politechnika Krakowska, Kraków 2010.
• [7] Björck, Å. Least squares methods. Handbook of numerical analysis. Vol. I. Elsevier/North - Holland, 1990.
• [8] Bredow, R., Kamiński, M. Structural safety of the steel hall under dynamic excitation using the relative probabilistic entropy concept. Materials, 2002, 15, 3587, https://doi.org/10.3390/ma15103587.
• [9] Dash, P., Singh B. N. Geometrically nonlinear bending analysis of laminated composite plate. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, vol. 15, 2010.
• [10] Dąbrowski, H. Wytrzymałość polimerowych kompozytów włóknistych. Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
• [11] Dębski, H., Kubiak, T. Modelowanie procesu zniszczenia ściskanych słupów kompozytowych z wykorzystaniem naprężeniowych kryteriów zniszczenia. Stability of Structures XIVth Symposium, Zakopane 2015.
• [12] Dokumentacja programu ANSYS 19.1.
• [13] Eksi, S., Genel, K. Comparison of mechanical properties of unidirectional and woven carbon, glass and aramid fiber reinforced epoxy composites. Acta Physica Polonica A, Vol. 132, No. 3-11, 2017.
• [14] Eurokod 0, Podstawy projektowania konstrukcji. Europejski Komitet Normalizacyjny, Bruksela, 2002.
• [15] Fukada, J. Stress redistribution as an effect of non-uniform in-plane laminate stresses in laminate composite plates. Composite Structures, 01/2017.
• [16] German, J. Podstawy mechaniki kompozytów włóknistych. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1996.
• [17] Gibson, R. F. Principles of Composite Material Mechanics. McGraw-Hill, Inc., New York, 1994.
• [18] Hampson, P. Experimental and numerical study of composite material subjected to low velocity impact. Salford Postgraduate Annual Research Conference, Vol. 10-11, 2007
• [19] Han, W., Petyt, M., Hsiao, Kuo-Mo. An investigation into geometrically nonlinear analysis of rectangular laminated plates using the hierarchical finite element method. Finite Elements in Analysis and Design, Vol. 18, Issues 1-3, 1994.
• [20] Jones, R. M. Mechanics of composite materials, 1975.
• [21] Kachlakev, D., Miller, T. Finite element modeling of reinforced concrete structures strengthened with FRP laminates. Oregon Departament of Transportation, 2001.
• [22] Kałuża, M., Bartosik T. Wzmacnianie konstrukcji materiałami na bazie włókien węglowych, szklanych i aramidowych. Materiały Budowlane, nr 414 2/2017.
• [23] Kamińska, M. E., Kotynia, R., Doświadczalne badania żelbetowych belek wzmocnionych taśmami CFRP, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska Politechniki Łódzkiej, Łódź 2000.
• [24] Kamiński, M. M. A generalized stochastic perturbation technique for plasticity problems. Computational Mechanics, vol. 45, 2010.
• [25] Kegler, K. Badania kompozytowych kanałów wentylacyjnych w warunkach nadciśnienia. Współczesne zagadnienia z inżynierii lądowej. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2020.
• [26] Kegler, K. Koszty instalacji wentylacyjnej z materiałów kompozytowych w porównaniu do rozwiązań tradycyjnych. Rynek Instalacyjny, Tom 02, 2017.
• [27] Kegler, K., Cichowicz, R., Kamiński, M. Doświadczalne wstępne badania odkształcalności płyt kompozytowych, wykorzystywanych do budowy przewodów wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. INSTAL, 11/2023.
• [28] Knupp, P. M., Algebraic mesh quality metrics for unstructured initial meshes. Finite Elements in Analysis and Design, Vol. 39, No. 3, 2003.
• [29] Kowal, M., Łagoda, M. Wzmacnianie konstrukcji stalowych taśmami kompozytowymi CFRP. Drogi i Mosty Nr 16, 2017.
• [30] Mayer, P., Kaczmar, J. Właściwości i zastosowania włókien węglowych i szklanych. Tworzywa Sztuczne i Chemia, nr 16/2008.
• [31] Meier, U. Strengthening of structures using carbon fibre/epoxy composites. Construction and Building Materials, Vol. 9 Nr 6, 1995.
• [32] Moshiri, N., Martinelli, E., Breveglieri, M., Czaderski, C. Experimental tests and numerical simulations on the mechanical response of RC slabs externally strengthened by passive and prestressed FRP strips. Engineering Structures, Vol. 292, 2023.
• [33] Nowak, T. Wzmacnianie drewnianych konstrukcji zabytkowych przy użyciu taśm węglowych. Wiadomości Konserwatorskie 14/2003.
• [34] Ochelski, S. Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych. PWN, Warszawa, 2018.
• [35] Oguibe, Chuks N., Webb, David C. Finite-element modelling of the impact response of a laminated composite plate. Composites Science and Technology, Vol. 59, Issue 12, 1999.
• [36] Ochoa, O. O., Reddy, J. N. Finite element analysis of composite laminates. Kluwer Academic Publishers, 1992.
• [37] Pica, A., Wood, R. D., Hinton, E. Finite element analysis of geometrically nonlinear plate behaviour using a Mindlin formulation. Computers & Structures, Vol. 11, Issue 3, 1980.
• [38] Prucz, J. C., Shoukry, S. N., Chandramohan, S., Mitchell, S. An analytical model for interactive design of cylidrical composite ducts with upright bolted flanges. Composite Structures, Vol. 61, Issue 3, 2003.
• [39] Reddy, Y. S. N., Pandey, A.K. A first-ply failure of composite laminates. Computers & Structures, Vol. 25, Issue 3, 1987.
• [40] Rice, H. J., Göransson, P. A dynamic model of light fibrous materials. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 41, Issues 4-5, 1999.
• [41] Semyeong, L., Won, C., Hyunbum, P. A study on design of s-duct structures and air intake for small aircraft applied to high strength carbon-epoxy composite materials. Materials, 2022.
• [42] Tarnov, V. Dynamic measurements of the elastic constants of glass wool. The Journal of the Acoustical Society of America, 118(6), 2005.
• [43] Timoszenko, S., Goodier, J. N. Teoria sprężystości. 1962.
• [44] Timoszenko, S., Woinowsky-Krieger, S. Teoria płyt i powłok. 1959.
• [45] Wing, Kam L., Shaofan, L. Eighty years of finite element method: birth, evolution and future. Archives of Computational Engineering, Vol. 29, 2022
• [46] Whitney, James M. et al. Experimental mechanics of fiber reinforced composite materials. Society for Experimental Mechanics, 1982.
• [47] Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L., Zhu J.Z. Finite Element Method for Solid and Structural mechanics. Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.
• [48] Zienkiewicz, O. C., Wood, R. D. Geometrically nonlinear finite element analysis of beams, frames, arches and axisymmetric shells. Computers & Structures, Vol. 7, Issue 6, 1977.

Uwagi

1. Artykuł powstał w ramach projektu badawczego OPUS 2021/41/B/ST8/02432 pt. “Entropia probabilistyczna w obliczeniach inżynierskich” sponsorowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

2. Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025)