ДОСЛІДЖЕННЯ СТІЙКОСТІ МЕТАЛ-МАТРИЧНИХ КОМПОЗИТНИХ БАЛОК ЗМІННОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПЕРЕРІЗУ З АКСІАЛЬНО ГРАДІЄНТНИМ АРМУВАННЯМ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-0775.2025.2.04Анотація
У роботі досліджується стійкість балок зі змінним поперечним перерізом, виготовлених із метал-матричних композитів (ММК) з аксіально функціонально-градієнтним (ФГ) армуванням. Для виведення керівних рівнянь використано теорію Eйлера–Бернуллі в поєднанні з варіаційним принципом Гамільтона. Ефективні характеристики матеріалу, що розподілений уздовж довжини балки відповідно до степеневого закону, обчислено за правилом сумішей. Для одержання розв’язку задачі застосовано напіваналітичний метод диференціального перетворення у формулюванні, що враховує різні граничні умови в межах єдиної схеми розрахунку. Проведено числові експерименти для балок як матеріально однорідних зі змінним перерізом, так і неоднорідних із аксіально ФГ армуванням. Розрахунки показали, що збільшення вмісту аксіально градієнтної армуючої фази суттєво підвищує стійкість ММК балок. Додатково всебічно проаналізовано вплив граничних умов, геометрії поперечного перерізу та аксіального градієнтного профілю властивостей матеріалу.
Ключові слова: метал-матричний композит; аксіально функціонально-градієнтне армування; балка змінного поперечного перерізу; стійкість; метод диференціального перетворення
Посилання
Gupta P.K., Trivedi A.K., Gupta M.K., Dixit M. Metal matrix composites for sustainable products: A review on current development. Proc. Inst. Mech. Eng., Part L, 2024, vol. 238 N. 10, pp. 1827-1864.
Pooja Km., Tarannum N., Chaudhary P. Metal matrix composites: revolutionary materials for shaping the future. Discover Materials, 2024, vol. 5, N. 35, pp. 1-45.
Burlayenko, V.N., Altenbach H., Sadowski, T. Dynamic fracture analysis of sandwich composites with face sheet/core debond by the finite element method. In: Altenbach, H., et al. (eds). Dynamical Processes in Generalized Continua and Structures. Advanced Structured Materials, 2019, vol. 103, pp. 163-194. Springer, Cham.
Divakar S., Sardar S., Sah S., Das D. A state-of-the-art review on SiC and MWCNTs reinforced hybrid metal matrix composites: Processing, properties, and applications. Hybrid Advances, 2025, vol. 10, 100454.
Huang Y., Luo Q.Z. A simple method to determine the critical buckling loads for axially inhomogeneous beams with elastic restraint. Comput. Math. App. 2011, vol. 61, pp. 2510-2517.
Shahba A., Attarnejad R., Marvi M.T., Hajilar S. Free vibration and stability analysis of axially functionally graded tapered Timoshenko beams with classical and non-classical boundary conditions. Compos. Part B, 2011, vol. 42, pp. 801-808.
Yilmaz Y., Girgin Z., Evran S. Buckling analyses of axially functionally graded nonuniform columns with elastic restraint using a localized differential quadrature method. Math. Probl. Eng., 2013, vol. 2013, pp. 1-12.
Kitipornchai S., Chen D., Yang J. Free vibration and elastic buckling of functionally graded porous beams reinforced by graphene platelets. Mater. Des., 2017, vol. 116, pp. 656-665.
Nejati M., Eslampanah A. Buckling and vibration analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced beam under axial load. Int. J. Appl. Mech., 2016, vol. 8, N. 1, pp. 1-19.
Boutaleb S., Boulal A., Zidour M., et al. On the buckling response of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite imperfect beams. Period. Polytech. Civil Eng., 2024, vol. 68, N. 4, pp. 1052-1063.
Sitli Y., Elmhaia O., Mesmoudi S., et al. Investigating the bending and buckling behaviors of composite porous beams reinforced with carbon nanotubes and graphene platelets using a TRPIM path following mesh-free approach. Comput. Struct., 2024, vol. 303, 107492.
Yuan W.B., Li L.Y., Jang S.H. Dynamic stability of CNTs-reinforced non-uniform composite beams under axial excitation loading. Comput. Mater. Sci., 2022, vol. 210, 111054.
Eisenberger M. Buckling loads for variable cross-section members with variable axial forces. Int. J. Solids Struct., 1991, vol. 27, N 2, pp. 134-143.
Darbandi S.M., Firouz-Abadi R.D., Haddadpour H. Buckling of variable section columns under axial loading. J. Eng. Mech., 2010, vol. 136, pp. 472-476.
Huang Y., Zhang M., Rong H. Buckling analysis of axially functionally graded and non-uniform beams based on Timoshenko theory. Acta Mech. Solida Sin., 2016, vol. 29, N 2, pp. 200-207.
Пухов, Г.Є. Диференціальні перетворення та математичне моделювання фізичних процесів. 1986. Київ: Наукова думка
Shahba A., Rajasekaran S. Free vibration and stability of tapered Euler-Bernoulli beams made of axially functionally graded materials. Applied Mathematical Modelling. 2012, vol. 36, N. 7, pp. 3094–3111.
Burlayenko, V. N., Kouhia, R., Dimitrova, S. D. Free vibration analysis of curvilinearly tapered axially functionally graded material beams. Applied Sciences, 2024, vol. 14, N 15, 6446
Burlayenko V.N., Sadowski T., Marsavina L. Free vibration analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced beams with variable cross-section using the differential transform method. Meccanica,, 2025, in press.
Ghazaryan D., Burlayenko V.N., Avetisyan A., Bhaskar A. Free vibration analysis of functionally graded beams with non-uniform cross-section using the differential transform method. J. Eng. Math. 2018, vol. 110, N 1. pp. 97-121.
Shen H.-S., Xiang Y. Nonlinear analysis of nanotube-reinforced composite beams resting on elastic foundations in thermal environments. Eng Struct. 2013, vol. 56, pp. 698–708.
El-Ashmawy A.M., Xu Y. Longitudinal modeling and properties tailoring of functionally graded carbon nanotube reinforced composite beams: A novel approach. Appl. Math. Model. 2020, vol. 80, pp. 161–174.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
