Modeling of the process of manufacturing shells by the continuous wet winding method

Abstract


The article presents the main provisions of the developed complex calculation and experimental technique for describing the behavior and studying, on its basis, the stress-strain state of the "mandrel - composite shell" system during the shell manufacturing process, taking into account the thermoviscoelastic behavior of materials. The research was carried out using the results of an experimental study of the relaxation of the mandrel and shell materials at normal and elevated temperatures and the apparatus of mechanics of a deformed solid. Numerical modeling was carried out by the finite element method implemented in the ANSYS Mechanical environment by means of the APDL parametric programming language. Standard mechanical tests of mandrel material samples, binder and unidirectional PCM samples were carried out at the PNRPU Center for Experimental Mechanics on the certified Instron 5882 universal electromechanical system. The calculation and experimental technique includes: a numerical procedure for identifying thermomechanical parameters to describe the behavior of an isotropic mandrel material taking into account the rheology at normal and elevated temperatures; a model of thermoviscoelastic behavior of a composite material during winding and heat treatment that combines the anisotropy of the elastic behavior of the medium with one independent viscoelastic operator, implemented in the Ansys Mechanical APDL environment; an algorithm for constructing a three-dimensional finite element analogue of the "mandrel – shell" system with technological equipment that takes into account the distribution of initial forces in the shell and frictional contact with lubricant at the interface of the mandrel with the assembly shaft; an algorithm for determining the thermoviscoelastic behavior of the "mandrel – shell" system, implemented by sequentially solving the problem of non-stationary heat conductivity and the quasi-static boundary value problem of mechanics of a deformable solid. As a result of the studies, new data were obtained on the spatio-temporal distribution of stress intensities and normal pressure on the outer surface of the mandrel, established as a result of a comprehensive study based on computational experiments, including with deviations from the design parameters of the technological process.

Full Text

3

About the authors

L. R Sahabutdinova

Perm Natioanal Research Polytechnic University

O. Yu Smetannikov

Perm Natioanal Research Polytechnic University

References

  1. Ильюшин, А.А. Основы математической теории термовязкоупругости / А.А. Ильюшин, Б.Е. Победря. – Изд-во «Наука», 1970. – 280 с.
  2. Плумэ, Э.З. Длительная ползучесть органостеклопластика / Э.З. Плумэ, Р.Д. Максимов // Механика композитных материалов. – 2001. – Т. 37, № 4. – С. 435–450.
  3. Васильев, В.В. Механика конструкций из композиционных материалов / В.В. Васильев. – М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
  4. Куимова, Е.В. Численное прогнозирование эффективных термовязкоупругих характеристик однонаправленного волокнистого композита с вязкоупругими компонентами / Е.В. Куимова, Н.А. Труфанов // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. – 2009. – № 4 (70). – С. 129–148.
  5. Сметанников, О.Ю. Модель вязкоупругого термомеханического поведения волокнистого композита и ее экспериментальная идентификация / О.Ю. Сметанников, Г.В. Ильиных // Прикладная математика и вопросы управления. – 2017. – № 4. – С. 51–72.
  6. Янковский, А.П. Определение термоупругих характеристик пространственно армированных волокнистых сред при общей анизотропии материалов компонент композиции. 1. Структурная модель / А.П. Янковский // Механика композитных материалов. – 2010. – Т. 46, № 5. – С. 663–678.
  7. Янковский, А.П. Моделирование линейно-термовязкоупругого поведения композитов с пространственной структурой армирования / А.П. Янковский // Конструкции из композиционных материалов. – 2016. – № 2. – С. 3–14.
  8. Аношкин, А.Н. Теория и технология намотки конструкций из полимерных композиционных материалов / А.Н. Аношкин. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2003. – 118 с.
  9. Представительный объем и эффективные материальные характеристики периодических и статистически однородно армированных волоконных композитов / В.М. Пестренин, И.В. Пестренина, Л.В. Ландик [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 1. – С. 103–110. doi: 10.15593/perm.mech/2023.1.10
  10. Арутюнян, Н.Х. Контактные задачи теории ползучести / Н.Х. Арутюнян, А.В. Манжиров. – Ереван: Институт механики НАН Армении, 1999. – 320 с.
  11. Манжиров, А.В. Математическая теория растущих тел: уравнения, задачи, приложения / А.В. Манжиров // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – 2011. – № 4-4. – С. 1603–1605.
  12. Кузнецов, С.И. Задача теплопроводности для растущего шара / С.И. Кузнецов, А.В. Манжиров, И. Федотов // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. – 2011. – № 6. – С. 139–148.
  13. Манжиров, А.В. Моделирование процессов наращивания цилиндрических тел на вращающейся оправке с учетом действия центробежных сил / А.В. Манжиров, Д.А. Паршин // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. – 2006. – № 6. – С. 149–166.
  14. Манжиров, А.В. Моделирование процесса деформирования наращиваемых конических тел / А.В. Манжиров, Д.А. Паршин // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. – 2007. – № 4(54). – С. 290–303.
  15. Kordkheili, S.H. On the geometrically nonlinear analysis of sandwich shells with viscoelastic core: A layerwise dynamic finite element formulation / S.H. Kordkheili, R. Khorasani // Compos. Struct. – 2019. – Vol. 230. – A. 111388.
  16. Mechanical behavior of polymer stabilized sand under different temperatures / Yuxia Bai, Jin Liu, Yujun Cui, Xiao Shi, Zezhuo Song, Changqing Qi // Construction and Building Materials. – 2021. – Vol. 290. – A.123237.
  17. Русаков, И.Ю. Основы конструирования и расчета элементов оборудования отрасли: учебное пособие / И.Ю. Русаков, В.Л. Софронов. – Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2018. – 271 с.
  18. Температурные напряжения в упругопластической трубе в зависимости от выбора условия пластичности / Е.П. Дац, Е.В. Мурашкин, А.В. Ткачева, Г.А. Щербатюк // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. – 2018. – № 1. – С. 32–43.
  19. Голуб, В.П. Нестационарная ползучесть линейных вязкоупругих материалов при одноосном растяжении и сжатии / В.П. Голуб, Я.В. Павлюк, П.В. Фернати // Теоретическая и прикладная механика. – 2007. – Вып. 43. – С. 40–49.
  20. Экспериментальные исследования компенсационного способа снижения напряжений в намоточных конструкциях из полимерных композиционных материалов / Р.С. Зиновьев, Ю.А. Мережко, С.Б. Сапожников, Ю.М. Хищенко // Композитный мир. – 2020. – № 4(91). – С. 54–57.
  21. Зиновьев, Р.С. Использование температурного поля в качестве управляющего фактора для снижения остаточных напряжений в намоточной конструкции из армированного реактопласта / Р.С. Зиновьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2012. – № 4 (24). – С. 127–134.
  22. Харинова, Ю.Ю. Методика прогнозирования качества изготовления стеклопластиковых оболочек методом намотки: дис. …канд. тех. наук / Ю.Ю. Харинова. – Ижевск, 2017.
  23. The role of mandrel rotation speed on morphology and mechanical properties of polyethylene pipes produced by rotational shear / H. Yang, X. Luo, K. Shen, Y. Yuan, Q. Fu, X. Gao, L. Jiang // Polymer. – 2019. – Vol. 184. – A.121915.
  24. Суходоева, А.А. Совместное деформирование оправки и композиционной оболочки при силовой намотке / А.А. Суходоева // Вестник ПГТУ. Вычислительная математика и механика. – 2000. – С. 52–55.
  25. Суходоева, А.А. Численный анализ напряженно-деформированного состояния и оценка прочности оправок для намотки композиционных оболочек: дис. …канд тех. наук / А.А. Суходоева. – Пермь, 2000.
  26. Kugler, D. The effects of Mandrel material and tow tension on defects and compressive strength of hoop-wound, on-line consolidated, composite rings / D. Kugler, T.J. Moon// Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. – 2002. – Vol. 33. – P. 861–876.
  27. Li, S. Numerical simulation and experimental studies of mandrel effect on flow-compaction behavior of CFRP hat-shaped structure during curing process / S. Li, L. Zhan, T. Chang // Arch. Civ. Mech. Eng. – 2018. – Vol.18. – P. 1386–1400.
  28. Поведение образцов песчано-полимерной композиции в условиях нормальной и повышенных температур при релаксации в области сжатия / А.А. Слетова, С.А. Сафронов, Д.С. Лобанов, О.Ю. Сметанников // Математическое моделирование в естественных науках. – 2018. – Т. 1. – С. 273–277.
  29. Лехницкий, С.Г. Теория упругости анизотропного тела / С.Г. Лехницкий. – М.: Наука, 1977.
  30. Endo, V.T. Linear orthotropic viscoelasticity model for fiber reinforced thermoplastic material based on Prony series / V.T. Endo, J.C.D.C. Pereira // Mech. Time-Dependent Mater. – 2017. – Vol. 21. – P. 199–221.
  31. Asymptotic and numerical homogenization methods applied to fibrous viscoelastic composites using Prony’s series / J.A. Otero, R. Rodríguez-Ramos, R. Guinovart-Díaz, O.L. Cruz-González, F.J. Sabina, H. Berger, T. Böhlke // Acta Mech. – 2020. – Vol. 231. – P. 2761–2771.
  32. Mauro, J.C. On the Prony series representation of stretched exponential relaxation / J.C. Mauro, Y.Z. Mauro // Phys. A Stat. Mech. Its Appl. – 2018. – Vol. 506. – P. 75–87.
  33. Luo, R. Development of Prony series models based on continuous relaxation spectrums for relaxation moduli determined using creep tests / R. Luo, H. Lv, H. Liu // Constr. Build. Mater. – 2018. – Vol. 168. – P. 758–770.

Statistics

Views

Abstract - 46

PDF (Russian) - 14

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies