Антибас Имад Ризакалла, доцент кафедры «Основы конструирования машин», кандидат технических наук, доцент
г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don
Дьяченко Алексей Геннадьевич, доцент кафедры «Основы конструирования машин», кандидат технических наук
г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
1, Gagarin sq., Rostov-on-Don
Introduction. Over the past decade, global demand for pressure vessels has increased significantly, specifically in such industries as aviation, space, chemical, and oil and gas. Being under the constant impact of high internal pressure, the walls of the tanks are under increased stress, which can cause their sudden destruction. To eliminate this probability and improve the strength characteristics, the tanks are made in the form of metal cylinders with an internal coating of composite material consisting of resin reinforced with carbon fibers. This article aimed at studying the effect of the angle of inclination of carbon fiber on cylindrical tanks and determining the maximum destructive pressure using the finite element method of ANSYS program.
Materials and Methods. Using the ANSYS program, a finite element model of a tank was created. It has a central part, which is a metal cylinder with an internal coating of composite material consisting of polymer reinforced with carbon fibers. At the ends of the tank, spiral wound hemispheres were placed. In these studies, SHELL 99 was used to model the layered composite material. The Tsai-Wu theory was used to determine the pressure tank failure criterion.
Results. The cylindrical tank model was calculated for two types of fiber winding paths: annular and spiral, at different angles of their inclination. The results of the pressure value analysis for different fiber inclination angles showed that, starting from the angle value of 0° and up to 45°, it increased, and then, up to the angle value of 65°, it began to decrease. The critical pressure value for a carbon fiber reinforced tank was 207 MPa, which was obtained at a fiber angle of 45º.
Discussion and Conclusion. Analysis of the studies showed that at a fiber inclination angle of 45º, the value of the maximum stress turned out to be the smallest, and the maximum possible destructive pressure at the same angle was 207 MPa. It follows, that the optimal fiber orientation angle to provide safe operation of the high-pressure tank is ± 45º, and the carbon fiber tank, calculated at the same fiber winding angle, has the maximum strength value.
Введение. За последнее десятилетие спрос в мире на резервуары высокого давления существенно возрос, особенно в таких областях промышленности как авиационная, космическая, химическая и нефтегазовая. Находясь под постоянным воздействием высокого внутреннего давления, стенки резервуаров испытывают повышенное напряжение, что может стать причиной их внезапного разрушения. Для устранения такой возможности и улучшения прочностных характеристик резервуары изготавливают в форме металлических цилиндров с внутренним покрытием из композитного материала, состоящего из смолы, армированной углеродными волокнами. Цель настоящей статьи заключалась в изучении влияния угла наклона углеродного волокна на цилиндрические резервуары и определении величины максимального разрушающего давления с использованием метода конечных элементов программы ANSYS.
Материалы и методы. С помощью программы ANSYS создана конечно-элементная модель резервуара, состоящего из центральной части в виде металлического цилиндра с внутренним покрытием из полимера, армированного углеродными волокнами. По торцам резервуара размещены полусферы со спиральной намоткой. Для моделирования слоистого композитного материала использована командная оболочка SHELL 99, для определения критерия разрушения резервуара высокого давления — теория Tsai-Wu.
Результаты исследования. Модель цилиндрического резервуара рассчитывалась для двух видов намотки волокон: кольцевой и спиральной при различных углах их наклона. Результаты анализа величины давления для различных углов наклона волокон показывают, что, начиная со значения угла 0° и до 45º оно увеличивается, а затем до значения 65º — уменьшается. Наибольшее давление, которое может выдержать резервуар, армированный углеволокном, составляет 207 МПа при угле наклона волокон ± 45º .
Обсуждение и заключения. Анализ исследований показал, что при угле наклона волокон ± 45º максимальное напряжение оказалась наименьшим, а максимально возможное разрушающее давление при том же угле составило 207 МПа. Из этого следует, что оптимальный угол ориентации волокон для обеспечения безопасной работы резервуара высокого давления составляет ± 45º , а резервуар из углепластика при том же угле намотки волокон имеет максимальную прочность.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.