نشریه مهندسی مکانیک ایران

نشریه مهندسی مکانیک ایران

تحلیل اجزاء محدود ترک های نیم بیضی طولی و عرضی در مخازن استوانه ‌ای CNG کامپوزیتی با آستری فلزی تحت فشار داخلی و بار حرارتی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه قم، ایران
2 کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه قم، ایران
چکیده
ایجاد و گسترش ترک یکی از عوامل مهم در شکست قطعات مهندسی می‌ باشد که می ‌تواند باعث خسارات مالی و جانی زیادی گردد. لذا بررسی و مطالعه ترک ‌های موجود در سازه‌ های تحت بارگذاری بسیار ضروری می‌ باشد. در این مقاله به بررسی و تحلیل ترک نیم بیضی در مخازن تحت ‌فشار CNG کامپوزیتی با آستر فلزی پرداخته شده است. مخزن مورد بررسی یک مخزن تحت ‌فشار CNG نوع سوم می ‌باشد. در این مخزن که پوشش کامپوزیتی آن از جنس برون/اپوکسی، کولار/اپوکسی و کربن/ اپوکسی است؛ ترک ‌های داخلی طولی و عرضی و همچنین ترک خارجی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می ‌دهد که هندسه ترک تأثیر زیادی بر ضریب شدت تنش دارد. ترک نیم بیضی داخلی طولی بحرانی ‌ترین ترک است و زمانی که این ترک در کنار ترک عرضی خارجی قرار بگیرد، بحرانی ‌تر می ‌شود و ضریب شدت تنش در ترک نیم بیضی طولی داخلی افزایش می‌ یابد. کامپوزیت برون/اپوکسی مقاومت بیشتری نسبت به افزایش فشار داخلی دارد و افزایش تعداد لایه ‌های کامپوزیت باعث افزایش ضریب شدت تنش ترک می ‌شود. همچنین در مخزن با پوشش برون اپوکسی، زاویه 40 تا 45 درجه نسبت به ترک طولی و عرضی برای قرارگیری الیاف بهترین حالت است. اگر این زاویه بیشتر یا کمتر باشد، ضریب شدت تنش افزایش می‌یابد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] B. DoostvandiA. Zeinedini, “Repair of Inclined Notches in the Pressurized Steel Pipes using Laminated Composites,” Material Design & Processing Communications, Vol. 1, No. 2, pp. 1-5, 2019, https://doi.org/10.1002/mdp2.49.

 
[2] T.L. Anderson, “Fracture Mechanics, Fundamentals and Applications”, Third Edition (3rd ed.), Boca Raton: CRC Press, 2005, https://doi.org/10.1201/9781420058215.
 
[3] D. Broek, “Elementary EngineeringS Fracture Mechanics,” Martinus Nijhoff Publishers, The Hague, 1st Edition, 1982, https://doi.org/10.1007/978-94-009-4333-9.
 
[4] A. Aghamoradi, and A. Rajaie rad, “An overview of the manufacturing process of various types of CNG tanks”, The Second International Conference on the Application of Materials and Advanced Manufacturing in Industries, Document National Code: IAAMM02, 20-21 July 2022, Iran University of Science and Technology, Teharn, Iran, [In Persian], https://civilica.com/doc/1493524.  
 
[5] A. R. Shahani, and M. M. Kheirikhah, “Stress Intensity Factor Calculation of Steel-lined Hoop-wrapped Cylinders with Internal Semi-elliptical Circumferential Crack,” Engineering Fracture Mechanics, Vol. 74, pp. 2004-13, 2007, https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2006.10.014.
 
[6] J. Chen, and H. Pan, “Stress Intensity Factor of Semi-elliptical Surface Crack in a Cylinder with Hoop Wrapped Composite Layer”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 110, pp. 77-81, 2013, https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2013.04.026.
 
[7] P. Livieri, and F. Segala, “Stress Intensity Factors for Embedded Elliptical Cracks in Cylindrical and Spherical Vessels”, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Vol. 86, pp. 260-6, 2016, https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2016.07.009.
 
[8] G. Ai, and Y. H. Liu, “Effect of the Joule-thomson Cooling on the Leak-Before-Break Approach”, Procedia Engineering, Vol. 130, pp. 1343-58, 2015, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.304.
 
[9] M. Fakoor, S. M. N. Ghoreishi, and N. Mehri Khansari, “Investigation of Composite Coating Effectiveness on Stress Intensity Factors of Cracked Composite Pressure Vessels,” Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 30, pp. 3119-26, 2016, https://doi.org/10.1007/s12206-016-0621-8.
 
[10] S. Qaderian, and A. Gorbanpour Arani, “Investigation and Analysis of Cracks Created on Thin-walled Tanks under Pressure Containing Fluid using Abaqus Software,” 14th National Conference on Construction and Production Engineering of Iran, Document National Code: ICME14, 24 October 2017, Arak, Iran, [In Persian], https://civilica.com/doc/713594/. S.
 
[11] M. Heidari-Rarani, and M. Ahmadi-Jebeli, “Finite Element Modeling of Failure in IV Type Composite Pressure Vessel using WCM Plug-in in ABAQUS Software,” Modares Mechanical Engineering, Vol. 18, pp. 191-200, 2018, [In Persian], DOR: 20.1001.1.10275940.1397.18.4.31.4.
 
[12] Y. Borse, and A. Sharma, “Modelling of Pressure Vessels with Different End Connections using Pro Mechanica,International Journal of Engineering Research and Applications, Vol. 2, No. 3, pp. 1493-1497, 2012, https://www.ijera.com/papers/Vol2_issue3/IY2314931497.pdf.
 
[13] K. Drazan, S. Ivan, S. Antun, I. Zeljko, and D. Darko, “Stress Analyses of Cylindrical Vessel with Changeable Head Geometry”, Scientific Bulletin Series C: Fascicle Mechanics, Tribology, Machine Manufacturing Technology, Vol. 23, pp. 93-104, 2009,
 
[14] A. J. Modi, and C.S. Jadav, “Structural Analysis of Different Geometry Heads for Pressure Vessel using Ansys Multiphysiscs,” The 5th International Conference on Advance in Mechanical Engineering, 2011, https://conferencealerts.com/show-event?id=ca1i8hhs.
[15] N. Habibi, and R. Moradikhah,Calculation of Stress Intensity Factor for Cylindrical Tanks with Semi-elliptical Cracks under Internal Pressure,” The Second National Conference on Oil, Gas, Petrochemicals and Sustainable Development, Document National Code: OGPCONF02, 19 March 2016, Mehr Arvand Higher Education Institute, Teharn, Iran, [In Persian], https://civilica.com/doc/474976/.
 
[16] U. Guven, “A Comparison on Failure Pressures of Cylindrical Pressure Vessels, Mechanics Research Communications,” Vol. 34, pp. 466-471, 2007, doi:10.1016/j.mechrescom.2007.05.001.
 
[17] P. Balicevic, D. Kozak, and T. Mrcela, “Strength of Pressure Vessels with Ellipsoidal Heads,” Journal of Mechanical Engineering, Vol. 54, No. 10, pp. 685-692, 2008.
 
[18] S.K., Raparla, T. Seshaiah, “Design and Analysis of Multilayer High Pressure Vesssels,” International Journal of Engineering Research and Applications, Vol. 2, pp. 355-361, 2021, ISSN: 2544-0780e-ISSN: 2544-1671.
 
[19] D. Cohen, Y.T. Toombes, A.K. Johnson, and M.F. Hansen, “Pressurized Ring Test for Composite Pressure Vessel Hoop Strength and Stiffness Evaluation,” Journal of Composites Technology & Research, Vol. 17, No. 4, pp. 331-340, 1995, https://doi.org/10.1520/CTR10453J.
 
[20] R. Karim Dadashi, M. A. Mohtadi, and H. R. Qayedi, “Fracture Mechanics,” 1st Edition, Tehran, Iran, Nashre Atran, [In Persian], 2018.
 
[21] A. A. Masoumi, Gh. H. Rahimi Sharbaf Moghadas, and Gh. H. Liyaghat, “Transient Heat Transfer Analysis in Composite Metal Cylindrical Vessel using the Layerwise Theory and Differential Quadrature Method”, Journal of Science and Technology of Composites, [In Persian], Vol. 4, pp. 347-58, 2017, [Online]. Available: https://sid.ir/paper/251736/en.
 
[22] O. Ayakdaş, L. Aydın, M. Savran, N. Küçükdoğan, and S. Öztürk, “Optimal Design of the Type III Hydrogen Storage Tank for Different Carbon/Epoxy Materials by Modified Differential Evolution Method”, Research on Engineering Structures and Materials, Vol. 5, pp. 189-201, 2019, http://dx.doi.org/10.17515/resm2019.65is0909.
 
[23] M. H. Kayhani, M. Shariati, M. Norouzi, “An Analytical Solution of Steady State Conductive Heat Transfer in Cylindrical Composite Laminates,” Modares Mechanical Engineering, Vol. 9, pp. 135-52, 2009, [In Persian], DOR: 20.1001.1.10275940.1388.9.1.13.7.
 
[24] P. Karthikeyan, R. Gobinath, L. Ajith Kumar, and D. Xavier Jenish, “Design and Analysis of Drive Shaft using Kevlar/Epoxy and Glass/Epoxy as a Composite Material,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Sathyabama University, Chennai, India: IOP Publishing, pp. 012048, 2017, DOI: 10.1088/1757-899X/197/1/012048.
 
[25] A. Naraki, and P. Ghabezi, “Analysis of Thick-walled Composite Cylindrical Pressure Vessels under the Effect of Cyclic Internal Pressure and Cyclic Temperature,” Journal of Solid and Fluid Mechanics, Vol. 3, pp. 15-32, 2013, [In Persian],  DOI: 10.22044/jsfm.2013.172.

  • تاریخ دریافت 08 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 13 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 13 خرداد 1404